Resin on laulamaton sankari, joka pitää hiilirunkoasi koossa, ja se on yhtä tärkeää suorituskyvylle
Kysy useimmilta maantieautoilijoilta, mistä heidän pyörän runkonsa on tehty, ja vastaus on todennäköisesti "hiili". Kysy keneltä tahansa polkupyörän runkojen (tai muiden tästä kudotusta ihmemateriaalista valmistettujen tuotteiden) valmistuksesta, niin saat monimutkaisemman vastauksen.
’Pyöräteollisuudessa kuulemme yleensä puhetta hiilestä, mutta se on itse asiassa liian yksinkertaista – yleistys”, sanoo Thomas Leschik, saksalaisen pyörävalmistajan Lightweightin suunnittelujohtaja. Se on itse asiassa hiilikuitujen ja epoksihartsin matriisi. Tarkempi termi on CFRP – hiilikuituvahvistettu muovi.'
Joten erittäin halutut ratsumme ovat vain vahvistettuja muovipyöriä. Se on yksinkertainen lyhenne, ja se selittää pitkälle hartsien tärkeyden – ne ovat CFRP:n muovinen (tai polymeeri) osa. Pohjimmiltaan hartsi antaa komposiittimateriaalille sen jäykkyyden. Kuten Phil Dempsey Apriresta, hiilikuitupyöriin erikoistuneesta yrityksestä, sanoo: Hiilikuitu on puhtaasti kangasta. Yksin se on vain pala kangasta.’
Tuotekuvauksissa ja siihen liittyvässä markkinointisoitossa hiilikuitumerkki tai -tyyppi (esim. Toray, T800, 65HM1K, ultrakorkea moduuli) mainitaan rutiininomaisesti valmiin tuotteen ominaisuuksien peruspiirteeksi. Ikään kuin mikään muu ei olisi pelissä, mutta itse asiassa kuidut muodostavat hieman yli puolet runkomateriaalista. Loput on epoksihartsia, jolla on selvästikin oltava tärkeä rooli nykyaikaisen pyörän suorituskyvyssä. Miksi markkinointipuhe sitten mainitsee sen harvoin?
CFRP:n ABC
| CFRP |
Hiilikuituvahvistettu muovi (tai polymeeri). Viitattu yhdistelmämateriaali hiileksi tai hiilikuiduksi. |
| Parannus |
Lämmön ja usein paineen kohdistaminen CFRP-rakenteeseen hartsi ja anna valmiille kappaleelle jäykkyyttä. |
| Kuitu | Hiilinauhat, jotka on kudottu tai neulottu yhteen CFRP-rakenteen vahvistavan elementin luomiseksi. Kutsutaan usein "filamenteiksi". |
| Muotti | Fyysinen komponentti, johon ja jonka ympärille hiilikuitulevyt asetetaan kehyksen luomiseksi. |
| Ply book | Pohjimmiltaan kirja ylistetyistä ompelukuvioista. Niissä kerrotaan yksityiskohtaisesti, kuinka kukin yksittäinen hiilikuitupala leikataan ja kootaan, ja ne ovat lähimpänä varjeltuja salaisuuksia. |
| Preg | Kovettamattomalla hartsilla kyllästetyt hiilikuitulankaarkit. |
| Resin | Nestemäinen polymeeri, jota käytetään sitomaan kuituja yhteen CFRP-rakenteen sisällä. |
Sisäpiiritieto
Ymmärtääksemme hartsin roolin valmiissa hiilikuitupyörässä, meidän on ymmärrettävä valmistusprosessi ja kuinka hartsi sisällytetään siihen.
Pohjimmiltaan hiilikuiturakenteita on kahdenlaisia: märkä ja kuiva. Märkävalmistukseen yritys ostaa hiilikuitukankaan, joka on jo kyllästetty hartsilla, eli pre-preg. Nämä tahmeat levyt asetetaan muottiin tai sen ympärille ja kovetetaan sitten käyttämällä lämpöä ja painetta jäykkyyden lisäämiseksi. Kuivahartsi-infuusion valmistustekniikka voi olla kahdessa eri muodossa. Ensimmäinen on samanlainen kuin pre-preg-valmistus: kuivasta kankaasta leikataan muotoja muotin päälle ja hartsi lisätään osana kovetusprosessia. Toinen tekniikka, jota käyttävät yritykset, kuten Time ja BMC (Impec-pyörineen), sisältää jatkuvan putkimaisen sukkamaisen rakenteen venyttämisen muotin päälle yhdellä pituudella. Tästä eteenpäin hartsi lisätään paineen alaisena jo muodostuneisiin muotoihin.
Giant on ainoa tuotemerkki, joka valmistaa kaikki omat hiilikuituiset pre-preg-tuotteensa "rullasta loppuun" eli se ostaa hiilikuitunsa langana suurille keloille, lisää omaa hartsia ja valmistaa sen kehyksiä, tankoja, varsia ja tarvikkeita. Giant näyttää siis hyvältä yritykseltä kysyä hartsien tärkeydestä.
Sen Yhdistyneen kuningaskunnan tuote- ja koulutuspäällikkö David Ward sanoo: 'Meidän hiilikuitufilamenttimme toimitetaan suoraan Toraysta [maailman suurin hiilikuitujen tuottaja] kelahuoneeseen. Sieltä se kierretään kutomakoneille ja kudottu v altaviin hiilikuitukankaisiin. Hartsi lisätään kudoksen jälkeen. Hartsi istuu kourussa telakokoonpanon yläpuolella ja johdetaan liikkuvalle kankaalle ja levitetään filamenteille telojen kautta.” Prosessi on yksinkertainen, ja Giantin käyttämä tekniikka on lähes identtinen kaikkien muiden valmistajien käyttämän tekniikan kanssa. pre-preg hiilikuitu. Mutta vaikka se saattaa olla yksinkertainen mekaniikka, tarkkuus, toistettavuus ja hallinta ovat elintärkeitä valmiin tuotteen eheydelle.
’Hartsin on valuttava jokaisen filamentin välillä ja peitettävä ne täydellisesti, Ward sanoo. "Hyvä hartsin jakautuminen on elintärkeää, jotta tuotantolinjan päästä saadaan hyvä pre-preg." Dempsey Apriresta lisää: "On niin tärkeää, että hartsi kulkee kerrosten läpi. Jos käytät hartsia väärin, runko on haljennut. Se on todella tärkeää.’
Puhteessa
’Koska hartsi muodostaa 40 % Giant-rungosta kovettumisen jälkeen, hartsi on erittäin tärkeä osa, Ward sanoo. "Kun se on lämpökovettunut, se on hartsi, joka antaa rakenteelle jäykkyyden." Rakenteellisten perusominaisuuksien lisäksi hartsilla on toinen tärkeä rooli. Dempsey sanoo: 'Sinun on siirrettävä jännityksiä osasta toiseen. Hartsit mahdollistavat kuormien siirtämisen kuitukerrosten välillä.’
Erilaiset hartsit vaikuttavat lopputuotteen suorituskykyyn. Dempsey sanoo: Jos hartsi on liian viskoosi, se ei kulje hiilen läpi ja päädyt siihen, että kuidut koskettavat toisiaan. Ihannetapauksessa haluat ne erottaa toisistaan.’
Sitten on kysymys kokoonpuristuvuudesta, joka vaikuttaa hiilirakenteiden paksuuteen. "Eri hartsin lisäaineet vaikuttavat puristuvuuteen", Dempsey sanoo."Voit saada erilaisen kerroksen paksuuden hartsin ominaisuuksien mukaan. Yleensä halvemmat hartsit ovat paksumpia. Hyvällä hartsilla hiilikuidut voivat olla mikrometrien päässä toisistaan. Näin saat ohuemmat seinät ja samat lujuusominaisuudet, mikä tarkoittaa kevyempää runkoa. Halvempi hartsi jättää enemmän materiaalia kuitujen ja kerrosten väliin.’
Koska Giant valmistaa täysin itse, se on pystynyt kehittämään omat hartsinsa. Ward sanoo: "Olemme nyt kolmannen sukupolven hartsikehityksessä. Muovaus- ja kovetusprosessin pienemmät yksityiskohdat johtuvat hartsin ominaisuuksista – lämpötilasta, jossa se sammuu, ja kovettumisen kestoaikaan.” Hiilituotteidensa laajan hintavalikoiman ansiosta Giant käyttää kahdenlaisia hartsia. "Vakiohartsiamme käytetään kaikissa tuotelinjoissa paitsi Advanced SL -tuotteissa", Ward sanoo. "Advanced SL:ssä käytämme nanoteknologian lisäainetta. Nanohiukkaset lisäävät kehystemme iskunkestävyyttä 18 % ilman negatiivista vaikutusta jäykkyyteen tai painoon. Ne kuitenkin maksavat paljon enemmän.’
Lisähiukkasten sivutuote on seinämän parantunut tiivistyminen kovettumisen aikana. Nanohiukkasten ansiosta hartsi voi täyttää kokoonpanossa olevat mikrotyhjät. Hartsi itse asiassa virtaa paremmin, mikä vähentää onteloiden mahdollisuuksia ja pienentää seinämän paksuutta, Ward lisää.
Hartsin rooli aukkojen vähentämisessä on keskeinen kohta kehyksen rakenteellisessa eheydessä, kuten Dempsey selittää. "Tyhjiöt hartsissa ovat reikiä, jotka keräävät stressiä", hän sanoo. "Nämä ovat mahdollisia vauriokohtia, ja tyhjiöt hajoavat puh altamalla erilleen kerrosten delaminoituessa. Voit silti saada delaminaatiota ilman tyhjiä vaurioita, mutta haluat pyrkiä minimaalisiin ilmataskuihin komposiitissa.’
Kuorman siirron, seinämän paksuuden ja kestävyyden lisäksi hartsit voivat vaikuttaa pyörän ajoon. Dempsey sanoo: Yksinkertaisesta näkökulmasta voit ajatella hartseja kaksipakkaisena araldiittityylinä tuotteena, jossa on hartsi ja kovettaja. Tietyn hartsin kanssa käytetyllä kovettimen määrällä voi olla huomattava vaikutus ajon laatuun. Hyvän pyörän rungon saavuttamiseksi tarvitset jonkin verran joustavuutta kovettuneen hartsin sisällä, jotta jännitys siirtyy hiilikuitukerrosten välillä. Saat tämän käyttämällä vahvempaa hartsia, jossa on vähemmän kovetinta. Älykkäät suunnittelijat voivat saada jäykemmän tai mukautuvamman rakenteen tietylle painolle. Et voi luottaa hartsiin jäykkyyden suhteen, mutta insinöörinä sinun on oltava tietoinen mahdollisista ominaisuuksista, joita hartsi voi lisätä valmiiseen rakenteeseen.’
Hitsit ovat selvästi tärkeitä valmiin kehyksen laadulle, joten palaamme kysymykseen, miksi kuulemme niistä niin vähän.
'Resin on sallittu, ei ominaisuusohjain, Dempsey sanoo. Hartsin avulla voimme liittää hiilikuitujen eri kerrokset yhteen – esimerkiksi T700 - T800 - käyttääksemme kuitujen meille tarjoamia erilaisia ominaisuuksia. Se on vaikea myydä ja erittäin vaikea pyörittää, mutta niiden roolia ei pidä aliarvioida.’
Giantin David Ward ilmaisee asian ytimekkäämmin: Hitsit ovat vain liimaa. He eivät vain ole seksikkäitä.’
Hetken kuumuus
Koska useimmat pyörävalmistajat käyttävät pre-preg-hiiltä, niiden valinnat ovat rajalliset sen suhteen, miten hartsia käytetään rungon suorituskykyyn vaikuttamiseen. Mutta se ei estä ihmisiä etsimään uusia suuntia tai ajamasta hartsi- ja pre-preg-yrityksiä tuottamaan erilaisia tuotteita.
Dempsey sanoo: Pyrimme saamaan kumppanit tuottamaan hartsin, joka ei irtoa huoneenlämmössä. Yksi suunnittelua rajoittava tekijä on se, että heti kun otat pre-pregin kylmävarastosta, se alkaa ilmakovettua. Se ei koskaan jähmety täysin kovettumaan uunin ulkopuolella, mutta se "sammuu". Pre-preg, joka antoi meille mahdollisuuden käyttää monimutkaisempaa lay-up-prosessia ja kehittää kerroskirjaamme [katso sanasto, vasemmalla] haluamallesi tasolle, antaisi meille mahdollisuuden saada paljon enemmän lopputuloksestamme. Se olisi meille loistavaa.’
Yksi alue, jolla hartseilla on v altava rooli, on hiilipyörän valmistus. Tässä hartsit ovat avainasemassa paitsi pyörän rakenteellisen eheyden ja jäykkyyden kann alta, myös jarrutustehossa.
Kevytsarjan Leschik sanoo: Hartsin heikoin kohta on sen lämpötilakäyttäytyminen. Useimmissa hartseissa on ongelmia yli 150 °C:ssa. Viimeisten 10 vuoden aikana olemme kolminkertaistaneet hartsiemme lämmönkestävyyden.’
Melkein jokainen pyöräilijä on kuullut kauhutarinan hiilipyörän pettämisestä pitkässä laskussa lämmön kertymisen vuoksi, mutta mitä tapahtuu, kun jarrupala kohtaa vanteen? Leschik sanoo: Tribologia on tiedettä ja tekniikkaa vuorovaikutuksessa olevien pintojen suhteellisessa liikkeessä. Se sisältää kitkan, voitelun ja kulumisen periaatteiden tutkimisen ja soveltamisen. Jarrutus CFRP-vanteella kumisilla jarrupaloilla märissä tai kuivissa olosuhteissa on yksi tällainen tribologinen järjestelmä. Tämän järjestelmän optimointi hyvään jarrutustehoon ei ole mahdollista ilman korkeita lämpötiloja kestäviä hartseja.’
Kuten rungon suorituskyvyssä, hartseissa olevat lisäaineet lisäävät lämmönkestävyyttä ja hintaa. Yksi tällainen lisäaine on keraaminen piidioksidi. Vaikka Aprire ei valmista pyöriä, Dempsey ymmärtää prosessin: Hartsit tekevät v altavan eron hiilivanteen rakenteessa. Esimerkiksi piidioksidin lisääminen vetää pois huomattavan määrän lämpöä rakenteen rungosta ja antaa ilmavirran jäähdyttää vanteen paljon paremmin kuin tavallisella CFRP-vanteella. Kupari olisi loistava lisäaine, koska se pystyy imemään v altavia määriä lämpöä, mutta rikki voi huuhtoutua hartsiin, jos kosteutta pääsee sisään mikrohalkeamien kautta. Tämä johtaisi lähes varmaan delaminaatioon. Jäähdytysnieluilla – hartsin sisällä olevilla verkoilla – on suuri potentiaali. Tämä tekniikka saattaa hyvinkin tulla.’
Kevytsarjan Leschik uskoo myös v altavasti hartsikehitykseen: Tutkimme vanteen jarruvanteiden optimointia. Älykkäillä hartseilla olemme varmoja, että voimme tarjota ajajalle saman jarrutustehon kuin levyt ilman grammaakaan ylimääräistä painoa.’
Kova totuus
On selvää, että hartsi on pyöränrakennusprosessin laulamaton sankari. Se voi vaikuttaa hiilikuitutuotteiden jäykkyyteen, kestävyyteen, painoon, turvallisuuteen ja hintaan, joten voimmeko odottaa valmistajien alkavan vahata lyyrisesti tahmeiden tavaroidensa ihmeitä? Luultavasti ei, koska se on silti vain yksi osa monimutkaista järjestelmää. Laadukas hartsi ei korvaa huonolaatuista hiilikuitua tai inspiroimattomia rakennustekniikoita. Kuten Lightweight's Leschik sanoo: "Se on sama joka kerta: hyvän kakun valmistamiseksi tarvitset oikeat ainekset oikeassa suhteessa, hyvin valmistettuna."
Hiilikangon: Mitä se kaikki tarkoittaa?
