Resin är den osjungna hjälten som håller ihop din kolfiberram, och den är lika avgörande för prestanda
Fråga de flesta roadies vad deras cykelram är gjord av och svaret kommer troligen att vara "kol". Fråga alla som är involverade i att tillverka cykelramar (eller andra produkter gjorda av detta vävda underverk) så får du ett mer komplext svar.
‘Inom cykelbranschen brukar vi höra talas om kol men egentligen är det för förenklat – en generalisering, säger Thomas Leschik, ingenjörschef på den tyska hjultillverkaren Lightweight. Det är faktiskt en matris av kolfibrer och epoxiharts. Den mer exakta termen är CFRP – kolfiberförstärkt plast.’
Så våra mycket eftertraktade hästar är lite mer än förstärkta plastcyklar. Det är en enkel förkortning och går långt för att förklara vikten av hartser - som är plastdelen (eller polymeren) av CFRP. I huvudsak ger hartset kompositmaterialet dess styvhet. Som Phil Dempsey från Aprire, ett företag specialiserat på kolfibercyklar, uttrycker det: Kolfiber är rent tyg. Ensam är det bara ett tygstycke.’
När det kommer till produktbeskrivningar och det medföljande marknadsföringsspelet, trumpetas kolfibermärket eller typen (t.ex. Toray, T800, 65HM1K, ultrahög modul) rutinmässigt ut som den grundläggande egenskapen hos den färdiga produktens egenskaper. Det är som om det inte finns något annat på spel, men i själva verket utgör fibrerna drygt hälften av rammaterialet. Resten är epoxihartset, som helt klart måste spela en viktig roll för hur en modern cykel presterar. Varför nämns det då sällan i marknadsföringstexten?
The ABC of CFRP
| CFRP |
Kolfiberförstärkt plast (eller polymer). Kompositmaterialet som refereras till som kol- eller kolfiber. |
| Cure |
Processen att applicera värme och ofta tryck på en CFRP-struktur för att "ställa in" harts och ger styvhet till det färdiga stycket. |
| Fiber | Står av kol som är vävda eller stickade ihop för att skapa det förstärkande elementet i en CFRP-struktur. Kallas ofta "filament". |
| Mögel | Den fysiska komponenten i och runt vilken kolfiberskivor läggs för att skapa ramen. |
| Ply book | I huvudsak en bok med glorifierade sömnadsmönster. Dessa beskriver hur varje enskild bit av kolfiber skärs och sätts ihop, och de är de närmast bevakade hemligheterna. |
| Pre-preg | Ark av kolfibertrådar impregnerade med ohärdat harts. |
| Resin | En flytande polymer som används för att binda samman fibrer i en CFRP-struktur. |
Insiderkunskap
För att förstå vilken roll hartset har i en färdig kolfibercykel måste vi förstå tillverkningsprocessen och hur hartset är införlivat i den.
Det finns i huvudsak två typer av kolfiberkonstruktioner: våt och torr. För våttillverkning köper ett företag kolfiberdukar som redan är impregnerade med harts, känd som pre-preg. Dessa klibbiga ark läggs upp i eller runt en form och härdas sedan med värme och tryck för att ingjuta styvhet. Tekniken för tillverkning av torr hartsinfusion kan ha två olika former. Den första liknar hur pre-preg-tillverkning sker, med skurna former av torrt tyg som läggs över en form, med hartset tillsatt som en del av härdningsprocessen. Den andra tekniken, som används av företag som Time och BMC (med sina Impec-cyklar), går ut på att sträcka en kontinuerlig rörformad strumpaliknande struktur över en form i en enda längd. Härifrån tillsätts hartset under tryck till de redan formade formerna.
Giant är det enda märket som tillverkar alla sina egna kolförberedda produkter från 'spool to finish' – det vill säga att de köper sin kolfiber som en tråd på stora spolar, lägger till sitt eget harts och fortsätter att tillverka sina ramar, stänger, stjälkar och tillbehör. Giant verkar alltså vara ett bra företag att fråga om vikten av hartser.
Dess brittiska produkt- och utbildningschef, David Ward, säger: "Vårt kolfiberfilament levereras direkt från Toray [världens största kolfiberproducent] till spolrummet. Därifrån träs den till vävstolarna och vävs till enorma koltygsark. Det är efter vävning som hartset tillsätts. Hartset sitter i ett tråg ovanför rullaggregatet och förs över på den rörliga duken, appliceras på filamenten via rullar.” Processen är enkel och tekniken som används av Giant är i stort sett identisk med den som används av alla tillverkare av pre-preg kolfiber. Men även om det kan vara enkelt i sin mekanik, är noggrannheten, repeterbarheten och kontrollen avgörande för den färdiga produktens integritet.
‘Hartset måste flyta mellan och täcka varje enskild filament perfekt, säger Ward. "God hartsfördelning är avgörande för att få bra pre-preg ur slutet av en produktionslinje." Dempsey på Aprire tillägger: "Det är så viktigt att hartset går igenom lagren. Om du tar fel harts har du en sprucken ram. Det är verkligen kritiskt.’
I mitten av det
‘Eftersom harts utgör 40 % av en Giant-ram efter härdning, är hartset en mycket viktig del, säger Ward.’När den är härdad [härdad], är det hartset som ger strukturen styvhet.’ Förutom grundläggande strukturella egenskaper spelar harts en annan viktig roll. Dempsey säger: 'Du måste överföra påfrestningar från en del till en annan. Det är hartser som tillåter överföring av belastningar mellan skikten av fibrer.’
Olika hartser påverkar slutproduktens prestanda. Dempsey säger: "Om hartset är för trögflytande kommer det inte att rinna genom kolet och du slutar med fibrer som rör vid varandra." Helst vill du ha dem minutiöst åtskilda.’
Sedan är det frågan om kompressibilitet, som påverkar tjockleken på kolstrukturer. "Olika tillsatser i hartset kommer att påverka kompressibiliteten", säger Dempsey."Du kan få en annan lagertjocklek beroende på hartsens egenskaper. I allmänhet kommer billigare hartser att vara tjockare. Med ett bra harts kan kolfibrerna vara mikron isär. Det ger dig tunnare väggar för samma styrka, vilket innebär en lättare ram. Ett billigare harts lämnar mer material mellan fibrer och lager.’
Då Giant tillverkar helt internt har de kunnat utveckla sina egna hartser. Ward säger: 'Vi är på vår tredje generation av hartsutveckling nu. De mindre detaljerna i formnings- och härdningsprocessen beror alla på hartsets egenskaper – temperaturen det går av vid och tiden som härdningen tar.’ På grund av det breda prisintervallet för sina kolprodukter använder Giant två typer av harts. "Vårt standardharts används på alla produktlinjer utom Advanced SL-produkterna", säger Ward. "För Advanced SL använder vi en nanotekniktillsats. Nanopartiklar ökar slagtåligheten hos våra ramar med 18 % utan negativ effekt på styvhet eller vikt. De kostar dock mycket mer.’
En ytterligare biprodukt av partiklarna är förbättrad väggkomprimering under härdningen. Nanopartiklarna tillåter hartset att fylla mikrohålrummen i uppläggningen. Hartset flyter faktiskt bättre, vilket minskar risken för tomrum och minskar väggtjockleken, tillägger Ward.
Ett harts roll i tomrumsreduktion är en nyckelpunkt i en rams strukturella integritet, som Dempsey förklarar. "Tomrum i hartset är hål som samlar upp stress", säger han. "Detta är potentiella felpunkter, och tomrum misslyckas genom att blåsa isär när lagren delamineras. Du kan fortfarande få delaminering utan tomrum, men du vill sikta på minimala luftfickor i kompositen.’
Förutom lastöverföring, väggtjocklek och robusthet kan hartser ha en effekt på cykeln. Dempsey säger: Från en enkel synvinkel kan du tänka på hartser som en tvåpacksprodukt i Araldite-stil med ett harts och en härdare. Mängden härdare som används med ett givet harts kan ha en avsevärd effekt på åkkvaliteten. För en bra cykelram behöver du lite flex i ett härdat harts för att möjliggöra överföring av spänningar mellan lager av kolfiber. Du kan få detta genom att använda ett starkare harts med mindre härdare. Smarta designers kan få en styvare eller mer överensstämmande struktur för en given vikt. Du kan inte lita på ett harts för styvhet, men som ingenjör måste du vara medveten om de potentiella egenskaper som hartset kan tillföra en färdig struktur.’
Hartser är helt klart viktiga för kvaliteten på den färdiga ramen, så vi återkommer till frågan om varför vi hör så lite om dem.
‘Harts är en tillåtare, inte en funktionsdrivare, säger Dempsey. Harts gör att vi kan binda samman de olika lagren av kolfiber – till exempel T700 till T800 – för att använda de olika egenskaperna som fibrerna ger oss. Det är svårt att sälja och väldigt svårt att snurra, men rollen de spelar bör inte underskattas.’
Giants David Ward uttrycker det mer kortfattat: 'Hartser är bara ett lim. De är bara inte sexiga.’
ögonblickets hetta
Med tanke på att de flesta cykeltillverkare använder pre-preg kol är deras val begränsade när det gäller att använda harts för att påverka prestandan hos en ram. Men det hindrar inte människor att leta efter nya riktningar, eller från att driva harts- och pre-preg-företag att producera olika produkter.
Dempsey säger: 'Vi jobbar på att få partners att producera ett harts som inte går av vid rumstemperatur. En begränsande faktor med design är att så fort du tar pre-preg från dess kylförvaring börjar den lufthärda. Det kommer aldrig att bli helt hårt utanför härdningsugnen, men det "går av". En pre-preg som gjorde det möjligt för oss att använda en mer komplex uppläggningsprocess och utveckla vår ply-bok [se ordlista, vänster] till den nivå vi vill ha, skulle tillåta oss att få ut mycket mer av vårt slutresultat. Det skulle vara briljant för oss.’
Ett område där hartser spelar en stor roll är tillverkning av kolhjul. Här är hartser nyckeln, inte bara för hjulets strukturella integritet och styvhet, utan också för bromsprestanda.
Lightweights Leschik säger: Den svagaste punkten hos ett harts är dess temperaturbeteende. De flesta hartser har problem över 150°C. Under de senaste 10 åren har vi tredubblat temperaturbeständigheten hos våra hartser.’
Nästan varje cyklist kommer att ha hört en skräckhistoria om ett kolfiberhjul som misslyckas på en lång nedfart på grund av värmeuppbyggnad, men vad händer egentligen när bromsbelägg möter fälgen? Leschik säger: 'Tribologi är vetenskapen och ingenjörskonsten av interagerande ytor i relativ rörelse. Det inkluderar studier och tillämpning av principerna för friktion, smörjning och slitage. Bromsning på en CFRP-fälg med gummibromsbelägg i våta eller torra förhållanden är ett sådant tribologiskt system. Optimeringen av detta system för bra bromsprestanda är inte möjlig utan högtemperaturbeständiga hartser.’
Som med ramprestanda, är det tillsatser i hartserna som ökar värmebeständigheten och till priset. En sådan tillsats är en keramik – kiseldioxid. Även om Aprire inte gör hjul, förstår Dempsey processen: Hartser gör en enorm skillnad i en kolfälgstruktur. Till exempel, tillsats av kiseldioxid drar bort en betydande mängd värme från strukturens kropp och tillåter luftflödet att kyla fälgen mycket bättre än med en standard CFRP-fälg. Koppar skulle vara en bra tillsats eftersom den har kapacitet att dra enorma mängder värme, men det finns potential för att svavel läcker in i hartset om fukt kommer in genom mikrosprickor. Detta skulle leda till nästan säker delaminering. Kylflänsar – maskor i hartset – har stor potential. Den här tekniken kan mycket väl komma.’
Lightweights Leschik har också stor förtroende för hartsutvecklingen: Vi tittar på optimeringen av de fälgbromsande fälgarna. Med smarta hartser är vi säkra på att vi kan ge föraren samma bromsprestanda som skivor utan ett enda extra gram vikt.’
Den hårda sanningen
Det är uppenbart att harts är en obesjungen hjälte i cykelbyggnadsprocessen. Det kan påverka styvheten, robustheten, vikten, säkerheten och priset på kolfiberprodukter, så kan vi förvänta oss att tillverkare ska börja vaxa lyriska över underverken med deras klibbiga grejer? Förmodligen inte, eftersom det fortfarande bara är en del av ett komplext system. Högkvalitativt harts kommer inte att kompensera för kolfiber av dålig kvalitet eller oinspirerade konstruktionstekniker. Som Lightweights Leschik uttrycker det: "Det är samma sak varje gång: för att laga en fin tårta behöver du rätt ingredienser i rätt förhållande, välgjorda."
Carbon-jargong: Vad betyder allt?
