Resin er den usungne helten som holder karbonrammen sammen, og den er like avgjørende for ytelsen
Spør de fleste roadiere hva sykkelrammen deres er laget av, og svaret vil sannsynligvis være "karbon". Spør alle som er involvert i å lage sykkelrammer (eller faktisk andre produkter laget av dette vevde vidundermaterialet), og du vil få et mer komplekst svar.
‘I sykkelindustrien hører vi vanligvis snakk om karbon, men egentlig er det for forenklet – en generalisering, sier Thomas Leschik, ingeniørsjef hos den tyske hjulprodusenten Lightweight. Det er faktisk en matrise av karbonfibre og epoksyharpiks. Den mer nøyaktige betegnelsen er CFRP – karbonfiberforsterket plast.’
Så våre svært ettertraktede hester er lite mer enn forsterkede plastsykler. Det er en enkel forkortelse, og går langt for å forklare viktigheten av harpiks - som er plastdelen (eller polymeren) av CFRP. Harpiksen gir i hovedsak komposittmaterialet sin stivhet. Som Phil Dempsey fra Aprire, et selskap som spesialiserer seg på karbonfibersykler, sier det: 'Karbonfiber er rent et stoff. Alene er det bare et stykke tøy.’
Når det kommer til produktbeskrivelser og det medfølgende markedsføringsspillet, blir karbonfibermerket eller -typen (f.eks. Toray, T800, 65HM1K, ultrahøy modul) rutinemessig utrompet som den grunnleggende egenskapen til det ferdige produktets egenskaper. Det er som om det ikke er noe annet som spiller, men faktisk utgjør fibrene litt over halvparten av rammematerialet. Resten er epoksyharpiksen, som helt klart må spille en viktig rolle i hvordan en moderne sykkel presterer. Hvorfor nevnes det så sjelden i markedsføringsteksten?
The ABC of CFRP
| CFRP |
Karbonfiberforsterket plast (eller polymer). Komposittmaterialet referert til som karbon eller karbonfiber. |
| Cure |
Prosessen med å påføre varme og ofte trykk på en CFRP-struktur for å "sette" harpiks og gir stivhet til det ferdige stykket. |
| Fiber | Stenker av karbon som er vevd eller strikket sammen for å lage det forsterkende elementet til en CFRP-struktur. Kalles ofte «filamenter». |
| Mugg | Den fysiske komponenten i og rundt som karbonfiberplater legges for å lage rammen. |
| Ply book | I hovedsak en bok med glorifiserte symønstre. Disse beskriver hvordan hvert enkelt stykke karbonfiber kuttes og settes sammen, og de er de mest bevoktede hemmelighetene. |
| Pre-preg | Ark av karbonfibertråder impregnert med uherdet harpiks. |
| Resin | En flytende polymer som brukes til å binde sammen fibre i en CFRP-struktur. |
Insiderkunnskap
For å forstå rollen harpiks har i en ferdig karbonfibersykkel, må vi forstå produksjonsprosessen, og hvordan harpiksen er innlemmet i den.
I hovedsak er det to typer karbonfiberkonstruksjon: våt og tørr. For våt produksjon kjøper et selskap karbonfiberduk som allerede er impregnert med harpiks, kjent som pre-preg. Disse klebrige arkene legges opp i eller rundt en form og herdes deretter med varme og trykk for å innpode stivhet. Den tørre harpiksinfusjonsfremstillingsteknikken kan ha to forskjellige former. Den første ligner måten pre-preg-produksjonen foregår på, med kuttede former av tørr klut lagt over en form, med harpiksen tilsatt som en del av herdeprosessen. Den andre teknikken, brukt av selskaper som Time og BMC (med sine Impec-sykler), innebærer å strekke en kontinuerlig rørformet sokklignende struktur over en form i en enkelt lengde. Herfra tilsettes harpiksen under press til de allerede dannede formene.
Giant er det eneste merket som produserer alle sine egne karbon pre-preg-produkter fra 'spool to finish' – det vil si at den kjøper karbonfiberen som en tråd på store spoler, legger til sin egen harpiks, og fortsetter å produsere sine rammer, stenger, stilker og tilbehør. Giant virker derfor som et godt selskap å spørre om viktigheten av harpiks.
Dens britiske produkt- og opplæringssjef, David Ward, sier: "Kullfiberfilamentet vårt leveres direkte fra Toray [verdens største produsent av karbonfiber] til spolerommet. Derfra er den tredd til vevstolene og vevd inn i enorme karbonduksark. Det er etter veving at harpiksen tilsettes. Harpiksen sitter i et trau over valseenheten og føres over på den bevegelige duken, påføres filamentene via valser.» Prosessen er enkel, og teknikken som brukes av Giant er stort sett identisk med den som brukes av alle produsenter av pre-preg karbonfiber. Men selv om det kan være enkelt i sin mekanikk, er nøyaktigheten, repeterbarheten og kontrollen avgjørende for det ferdige produktets integritet.
‘Harpiksen må flyte mellom og belegge hver enkelt filament perfekt, sier Ward. "God resindistribusjon er avgjørende for å få god pre-preg ut av slutten av en produksjonslinje." Dempsey hos Aprire legger til: "Det er så viktig at harpiksen går gjennom lagene. Hvis du tar feil av harpiksen, har du en sprukket ramme. Det er veldig kritisk.’
I tjukken
‘Fordi harpiks utgjør 40 % av en Giant-ramme etter herding, er harpiksen en veldig viktig del, sier Ward. ‘Når den først er herdet [herdet], er det harpiksen som gir strukturen stivhet.’ I tillegg til grunnleggende strukturelle egenskaper, spiller harpiks en annen viktig rolle. Dempsey sier: 'Du må overføre belastninger fra en del til en annen. Det er harpikser som tillater overføring av belastninger mellom lagene av fibre.’
Ulike harpikser vil påvirke ytelsen til sluttproduktet. Dempsey sier: 'Hvis harpiksen er for tyktflytende, vil den ikke renner gjennom karbonet, og du ender opp med at fibre berører hverandre. Ideelt sett vil du ha dem fra hverandre.»
Så er det spørsmålet om komprimerbarhet, som påvirker tykkelsen på karbonstrukturer. "Ulike tilsetningsstoffer i harpiksen vil påvirke komprimerbarheten," sier Dempsey."Du kan få en annen lagtykkelse avhengig av harpiksens egenskaper. Generelt vil billigere harpikser være tykkere. Med en god harpiks kan karbonfibrene være mikron fra hverandre. Det gir deg tynnere vegger for de samme styrkeegenskapene, noe som betyr en lettere ramme. En billigere harpiks etterlater mer materiale mellom fibre og lag.’
Som Giant produserer helt internt, har den vært i stand til å utvikle sine egne harpikser. Ward sier: 'Vi er på vår tredje generasjon med harpiksutvikling nå. De mindre detaljene i støpe- og herdeprosessen er helt nede på harpiksegenskapene – temperaturen den går av ved og tiden herdingen tar.’ På grunn av den brede prisklassen på karbonproduktene sine, bruker Giant to typer harpiks. "Vår standard harpiks brukes på alle produktlinjer unntatt Advanced SL-produktene," sier Ward. «For Advanced SL bruker vi et tilsetningsstoff for nanoteknologi. Nanopartikler øker slagfastheten til rammene våre med 18 % uten negativ effekt på stivhet eller vekt. De koster imidlertid mye mer.’
Et ekstra biprodukt av partiklene er forbedret veggkomprimering under herdingen. 'Nanopartiklene lar harpiksen fylle mikrohullene i opplegget. Harpiksen flyter faktisk bedre, reduserer potensialet for tomrom og reduserer veggtykkelsen, legger Ward til.
En harpiks rolle i tomromsreduksjon er et nøkkelpunkt i den strukturelle integriteten til en ramme, som Dempsey forklarer. "Tomrom i harpiksen er hull som vil samle opp stress," sier han. «Dette er potensielt feilpunkter, og tomrom svikter ved å blåse fra hverandre når lagene delaminerer. Du kan fortsatt få delaminering uten tomrom, men du vil sikte på minimale luftlommer i kompositten.’
I tillegg til lastoverføring, veggtykkelse og robusthet, kan harpiks ha innvirkning på sykkelturen. Dempsey sier: Fra et enkelt synspunkt kan du tenke på harpiks som et to-pakningsprodukt i Araldite-stil med en harpiks og en herder. Mengden av herder som brukes med en gitt harpiks kan ha en betydelig effekt på kjørekvaliteten. For en god sykkelramme trenger du litt flex i en herdet harpiks for å tillate overføring av spenninger mellom lag med karbonfiber. Dette kan du få ved å bruke en sterkere harpiks med mindre herder. Smarte designere kan få en stivere eller mer samsvarende struktur for en gitt vekt. Du kan ikke stole på en harpiks for stivhet, men som ingeniør må du være klar over de potensielle egenskapene harpiksen kan tilføre en ferdig struktur.’
Harpiks er helt klart viktig for kvaliteten på den ferdige rammen, så vi kommer tilbake til spørsmålet om hvorfor vi hører så lite om dem.
‘Harpiks er en tillatelse, ikke en funksjonsdriver, sier Dempsey. Harpiks lar oss binde de forskjellige lagene med karbonfiber sammen - for eksempel T700 til T800 - for å bruke de forskjellige egenskapene fibrene gir oss. Det er vanskelig å selge, og veldig vanskelig å spinne, men rollen de spiller bør ikke undervurderes.’
Giants David Ward sier det mer kortfattet: 'Harpiks er bare et lim. De er bare ikke sexy.’
øyeblikkets varme
Gitt at de fleste sykkelprodusenter bruker pre-preg karbon, er deres valg begrenset når det gjelder å bruke harpiks for å påvirke ytelsen til en ramme. Men det stopper ikke folk som leter etter nye veier, eller fra å presse harpiks- og pre-preg-bedrifter til å produsere forskjellige produkter.
Dempsey sier: «Vi jobber med å få partnere til å produsere en harpiks som ikke går av ved romtemperatur. En begrensende faktor med design er at så snart du tar pre-preg fra kjølelageret, begynner det å luftherde. Det vil aldri bli helt hardt utenfor herdeovnen, men det vil "gå av". En pre-preg som tillot oss å bruke en mer kompleks oppleggsprosess, og utvikle boken vår [se ordliste, til venstre] til det nivået vi ønsker, ville tillate oss å få langt mer ut av sluttresultatet vårt. Det ville vært strålende for oss.’
Et område der harpiks spiller en stor rolle er produksjon av karbonhjul. Her er harpiks nøkkelen, ikke bare for den strukturelle integriteten og stivheten til hjulet, men også for bremseytelsen.
Lightweights Leschik sier: 'Det svakeste punktet til en harpiks er dens temperaturoppførsel. De fleste harpikser har problemer over 150°C. I løpet av de siste 10 årene har vi tredoblet temperaturmotstanden til harpiksene våre.’
Nesten hver eneste syklist vil ha hørt en skrekkhistorie om et karbonhjul som svikter i en lang nedkjøring på grunn av varmeoppbygging, men hva skjer egentlig når bremseklossen møter felgen? Leschik sier: 'Tribologi er vitenskapen og konstruksjonen av samvirkende overflater i relativ bevegelse. Det inkluderer studier og anvendelse av prinsippene for friksjon, smøring og slitasje. Bremsing på en CFRP-felg med gummibremseklosser under våte eller tørre forhold er et slikt tribologisk system. Optimalisering av dette systemet for god bremseytelse er ikke mulig uten høytemperaturbestandige harpikser.’
Som med rammeytelse, er det tilsetningsstoffer i harpiksen som øker varmebestandigheten og prisen. Et slikt tilsetningsstoff er en keramikk – silika. Selv om Aprire ikke lager hjul, forstår Dempsey prosessen: 'Harpiks utgjør en enorm forskjell i en karbonfelgstruktur. For eksempel trekker tilsetning av silika bort en betydelig mengde varme fra strukturen og lar luftstrømmen avkjøle felgen langt bedre enn med en standard CFRP-felg. Kobber ville være et flott tilsetningsstoff siden det har kapasitet til å trekke store mengder varme, men det er potensial for at svovel kan lekke inn i harpiksen hvis fuktighet kommer inn gjennom mikrosprekker. Dette vil føre til nesten sikker delaminering. Varmeavledere – masker i harpiksen – har stort potensial. Denne teknologien kan godt komme.’
Lightweights Leschik har også stor tro på harpiksutviklingen: «Vi ser på optimaliseringen av de felgbremsende felgene. Med smarte harpikser er vi sikre på at vi kan gi rytteren samme bremseytelse som skiver uten et eneste ekstra gram vekt.’
Den harde sannheten
Det er tydelig at harpiks er en ubesunget helt i sykkelbyggingsprosessen. Det kan påvirke stivheten, robustheten, vekten, sikkerheten og prisen på karbonfiberprodukter, så kan vi forvente at produsenter begynner å bli lyriske om underverkene ved deres klissete ting? Sannsynligvis ikke, fordi det fortsatt bare er en del av et komplekst system. Harpiks av høy kvalitet vil ikke veie opp for dårlig kvalitet på karbonfiber eller uinspirerte konstruksjonsteknikker. Som Lightweights Leschik sier det: «Det er det samme hver gang: for å lage en fin kake trenger du de riktige ingrediensene i riktig forhold, laget godt.»
Karbonsjargong: Hva betyr det hele?
