Smola je neopjevani heroj koji drži vaš karbonski okvir na okupu, a jednako je ključan za performanse
Pitajte većinu ljubitelja cesta od čega je napravljen njihov okvir bicikla i odgovor će vjerojatno biti 'ugljik'. Pitajte bilo koga tko se bavi izradom okvira za bicikle (ili drugih proizvoda izrađenih od ovog čudesnog tkanog materijala) i dobit ćete složeniji odgovor.
'U industriji bicikala obično čujemo razgovor o ugljiku, ali to je zapravo previše pojednostavljeno - generalizacija,' kaže Thomas Leschik, voditelj inženjeringa u njemačkom proizvođaču kotača Lightweight. 'To je zapravo matrica karbonskih vlakana i epoksidne smole. Točniji izraz je CFRP – plastika ojačana karbonskim vlaknima.'
Dakle, naši vrlo željni konji samo su nešto više od ojačanih plastičnih bicikala. To je jednostavna kratica i uvelike objašnjava važnost smola – koje su plastični (ili polimerni) dio CFRP-a. U biti smola kompozitnom materijalu daje njegovu krutost. Kao što Phil Dempsey iz Aprirea, tvrtke specijalizirane za bicikle od ugljičnih vlakana, kaže: 'Ugljična vlakna su isključivo tkanina. Sam, to je samo komad tkanine.’
Kada je riječ o opisima proizvoda i popratnoj marketinškoj špici, marka ili tip karbonskih vlakana (npr. Toray, T800, 65HM1K, ultravisoki modul) rutinski se proglašava kao temeljna značajka karakteristika gotovog proizvoda. Kao da ništa drugo nije u igri, ali zapravo vlakna čine nešto više od polovice materijala okvira. Ostatak je epoksidna smola, koja očito mora igrati važnu ulogu u ponašanju modernog bicikla. Zašto ga onda marketinški oglas rijetko spominje?
Abeceda CFRP-a
| CFRP |
Plastika (ili polimer) ojačana ugljičnim vlaknima. Navedeni kompozitni materijal u obliku ugljika ili karbonskih vlakana. |
| Lijek |
Proces primjene topline i često pritiska na CFRP strukturu da bi se 'postavila' smola i priuštite krutost gotovom komadu. |
| Vlakna | Niti ugljika koje su utkane ili pletene zajedno kako bi stvorile element za pojačanje CFRP strukture. Često se nazivaju 'filamenti'. |
| Plijesan | Fizička komponenta unutar i oko koje su ploče od ugljičnih vlakana postavljene za stvaranje okvira. |
| Ply knjiga | U suštini knjiga proslavljenih krojeva za šivanje. Oni detaljno opisuju kako se svaki pojedinačni komad karbonskih vlakana reže i sastavlja i to su najstrože čuvane tajne. |
| Pred trudnoću | Listovi niti od karbonskih vlakana impregnirani neočvrslom smolom. |
| Smola | Tekući polimer koji se koristi za spajanje vlakana unutar CFRP strukture. |
Insajdersko znanje
Da bismo razumjeli ulogu smole u gotovom biciklu od ugljičnih vlakana, moramo razumjeti proces proizvodnje i kako je smola ugrađena u njega.
U biti postoje dvije vrste konstrukcije od karbonskih vlakana: mokra i suha. Za mokru proizvodnju tvrtka kupuje tkaninu od ugljičnih vlakana već impregniranu smolom, poznatu kao prepreg. Ove ljepljive ploče polažu se u ili oko kalupa, a zatim stvrdnjavaju pomoću topline i pritiska kako bi se postigla krutost. Tehnika proizvodnje infuzije suhe smole može imati dva različita oblika. Prvi je sličan načinu na koji se odvija proizvodnja preprega, s izrezanim oblicima suhe tkanine položene preko kalupa, sa smolom dodanom kao dio procesa stvrdnjavanja. Druga tehnika, koju koriste tvrtke 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 pod pritiskom dodaje u već oblikovane oblike.
Giant je jedina robna marka koja proizvodi sve svoje vlastite ugljične predpreg proizvode od 'kalema do kraja' – to jest, kupuje svoja karbonska vlakna kao konac na velikim kalemima, dodaje vlastitu smolu i nastavlja s proizvodnjom svojih okvira, šipki, nosača i pribora. Giant se, dakle, čini kao dobra tvrtka za postavljanje pitanja o važnosti smola.
Njegov britanski voditelj proizvoda i obuke, David Ward, kaže: 'Naš filament od karbonskih vlakana isporučuje se izravno iz Toraya [najvećeg svjetskog proizvođača karbonskih vlakana] u prostoriju za kaleme. Odatle se provlači do tkalačkih stanova i tka u goleme plahte karbonske tkanine. Tek nakon tkanja dodaje se smola. Smola se nalazi u koritu iznad sklopa valjaka i prenosi se na pokretnu tkaninu, nanosi se na filamente putem valjaka.' Proces je jednostavan, a tehnika koju koristi Giant prilično je identična onoj koju koriste svi proizvođači pre-preg karbonska vlakna. No iako je mehanika možda jednostavna, točnost, ponovljivost i kontrola ključni su za integritet gotovog proizvoda.
'Smola mora teći između i obložiti svaki filament savršeno,' kaže Ward. „Dobra raspodjela smole ključna je za dobivanje dobrog predprega s kraja proizvodne linije.“Dempsey iz Aprirea dodaje: „Važno je da smola prolazi kroz slojeve. Ako pogriješite smolu, dobit ćete napuknuti okvir. Stvarno je kritično.’
Usred svega
'Budući da smola čini 40% Giant okvira nakon stvrdnjavanja, smola je vrlo važan dio,' kaže Ward. ‘Jednom kada je duroplast [očvrsnuo], smola je ta koja strukturi daje krutost.’ Osim osnovnih strukturnih svojstava, smola igra još jednu važnu ulogu. Dempsey kaže: "Morate prenijeti stresove s jednog dijela na drugi. Smole su te koje omogućuju prijenos opterećenja između slojeva vlakana.’
Različite smole utjecat će na performanse konačnog proizvoda. Dempsey kaže: 'Ako je smola previše viskozna, neće proći kroz ugljik i završit ćete s vlaknima koja se dodiruju. U idealnom slučaju želite da budu razdvojeni u minutu.’
Onda tu je i pitanje kompresibilnosti, koje utječe na debljinu karbonskih struktura. 'Različiti dodaci u smoli utjecat će na kompresibilnost', kaže Dempsey.„Možete dobiti različitu debljinu sloja ovisno o karakteristikama smole. Općenito, jeftinije smole će biti deblje. S dobrom smolom, karbonska vlakna mogu biti udaljena mikronima. To vam daje tanje zidove za iste kvalitete čvrstoće, što znači lakši okvir. Jeftinija smola ostavlja više materijala između vlakana i slojeva.’
Budući da Giant proizvodi u potpunosti unutar kuće, uspio je razviti vlastite smole. Ward kaže: 'Sada smo na trećoj generaciji razvoja smole. Manji detalji procesa oblikovanja i stvrdnjavanja svode se na svojstva smole – temperaturu na kojoj pada i vrijeme potrebno za stvrdnjavanje.’ Zbog širokog raspona cijena svojih karbonskih proizvoda, Giant koristi dvije vrste smole. 'Naša standardna smola koristi se na svim linijama proizvoda osim proizvoda Advanced SL', kaže Ward. 'Za Advanced SL koristimo aditiv nanotehnologije. Nanočestice povećavaju otpornost naših okvira na udarce za 18% bez negativnog učinka na krutost ili težinu. Ipak koštaju puno više.’
Dodatni nusprodukt čestica je poboljšano zbijanje stijenke tijekom stvrdnjavanja. 'Nanočestice omogućuju smoli da ispuni mikro šupljine u sloju. Smola zapravo bolje teče, smanjujući mogućnost stvaranja šupljina i debljinu stjenke,’ dodaje Ward.
Uloga smole u smanjenju šupljina ključna je točka u strukturnom integritetu okvira, kako objašnjava Dempsey. 'Praznine u smoli su rupe koje će sakupljati stres', kaže on. 'Ovo su potencijalno neuspješne točke, a praznine propadaju raspuhivanjem dok se slojevi raslojavaju. I dalje možete dobiti delaminaciju bez šupljina, ali želite težiti minimalnim zračnim džepovima u kompozitu.’
Osim prijenosa opterećenja, debljine stjenke i robusnosti, smole mogu utjecati na vožnju bicikla. Dempsey kaže: 'S jednostavnog gledišta, smole možete zamisliti kao dvokomponentni proizvod u stilu Araldite sa smolom i učvršćivačem. Količina učvršćivača koja se koristi s određenom smolom može imati značajan učinak na kvalitetu vožnje. Za dobar okvir bicikla potrebno vam je malo savitljivosti unutar stvrdnute smole kako bi se omogućio prijenos naprezanja između slojeva karbonskih vlakana. To možete postići korištenjem jače smole s manje učvršćivača. Pametni dizajneri mogu dobiti čvršću ili konformniju strukturu za danu težinu. Ne možete se pouzdati u krutost smole, ali kao inženjer morate biti svjesni potencijalnih svojstava koje smola može dodati gotovoj strukturi.’
Smole su očito važne za kvalitetu gotovog okvira, pa se vraćamo na pitanje zašto tako malo čujemo o njima.
'Smola omogućuje, a ne pokreće značajke,' kaže Dempsey. „Smola nam omogućuje spajanje različitih slojeva karbonskih vlakana – na primjer T700 do T800 – kako bismo iskoristili različita svojstva koja nam vlakna predstavljaju. Teško ih je prodati i vrlo ih je teško pokrenuti, ali ulogu koju igraju ne treba podcijeniti.’
Giantov David Ward to kaže sažetije: 'Smole su samo ljepilo. Jednostavno nisu seksi.’
Vrućina trenutka
S obzirom na to da većina proizvođača bicikala koristi prethodno preg karbon, njihov izbor je ograničen u pogledu upotrebe smole koja utječe na performanse okvira. Ali to ne sprječava ljude koji traže nove smjernice ili potiču tvrtke za smolu i prepreg da proizvode različite proizvode.
Dempsey kaže: 'Radimo na tome da natjeramo partnere da proizvedu smolu koja se ne gasi na sobnoj temperaturi. Jedan ograničavajući čimbenik kod dizajna je taj da čim uzmete predpreg iz njegovog hladnog skladišta, on se počinje stvrdnjavati na zraku. Nikada se neće potpuno očvrsnuti izvan pećnice za sušenje, ali će se "ugasiti". Prepreg koji nam je omogućio da koristimo složeniji proces postavljanja i razvijemo našu knjigu slojeva [vidi rječnik, lijevo] do razine koju 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 kotača. Ovdje su smole ključne, ne samo za strukturni integritet i krutost kotača, već i za učinkovitost kočenja.
Leschik iz Lightweighta kaže: 'Najslabija točka smole je njezino temperaturno ponašanje. Većina smola ima problema iznad 150°C. Tijekom posljednjih 10 godina povećali smo temperaturnu otpornost naših smola tri puta.’
Gotovo svaki biciklist čuo je horor priču o otkazu karbonskog kotača na dugoj nizbrdici zbog nakupljanja topline, ali što se zapravo događa kada kočiona pločica dodirne rub? Leschik kaže: 'Tribologija je znanost i inženjering međusobno povezanih površina u relativnom kretanju. Uključuje proučavanje i primjenu principa trenja, podmazivanja i trošenja. Kočenje na CFRP naplatku s gumenim kočionim pločicama u mokrim ili suhim uvjetima jedan je od takvih triboloških sustava. Optimizacija ovog sustava za dobre performanse kočnica nije moguća bez smola otpornih na visoke temperature.’
Kao i kod izvedbe okvira, aditivi u smolama povećavaju otpornost na toplinu i povećavaju cijenu. Jedan takav dodatak je keramika – silika. Iako Aprire ne proizvodi kotače, Dempsey razumije proces: 'Smole čine veliku razliku u strukturi karbonskih naplataka. Na primjer, dodavanje silicijevog dioksida odvlači znatnu količinu topline iz tijela konstrukcije i omogućuje protoku zraka da hladi rub daleko bolje nego sa standardnim CFRP naplatkom. Bakar bi bio izvrstan dodatak jer ima sposobnost privlačenja ogromne količine topline, ali postoji mogućnost da sumpor iscuri u smolu ako vlaga uđe kroz bilo kakve mikropukotine. To bi dovelo do gotovo sigurnog raslojavanja. Hladnjaci – mrežice unutar smole – imaju veliki potencijal. Ova bi tehnologija mogla doći.’
Leschik iz Lightweighta također ima veliku vjeru u razvoj smola: 'Gledamo optimizaciju obruča za kočenje. S pametnim smolama sigurni smo da vozaču možemo pružiti iste performanse kočnica kao diskovi bez ijednog dodatnog grama težine.’
Teška istina
Jasno je da je smola neopjevani heroj procesa izrade bicikala. Može utjecati na krutost, robusnost, težinu, sigurnost i cijenu proizvoda od ugljičnih vlakana, pa možemo li očekivati da će proizvođači početi pjevati lirično o čudima svojih ljepljivih stvari? Vjerojatno ne, jer je to ipak samo jedan dio složenog sustava. Smola izvrsne kvalitete neće nadoknaditi lošu kvalitetu karbonskih vlakana ili nenadahnute tehnike gradnje. Kao što Leschik iz Lightweighta kaže: 'Svaki put je isto: da biste skuhali finu tortu potrebni su vam pravi sastojci u pravom omjeru, dobro napravljeni.'
Carbon žargon: Što sve to znači?
