Resin is die onbesonge held wat jou koolstofraamwerk bymekaar hou, en dit is net so deurslaggewend vir prestasie
Vra die meeste roadies waarvan hul fietsraam gemaak is en die antwoord sal waarskynlik 'koolstof' wees. Vra enigiemand wat betrokke is by die maak van fietsrame (of inderdaad ander produkte gemaak van hierdie geweefde wondermateriaal) en jy sal 'n meer komplekse antwoord kry.
‘In die fietsbedryf hoor ons gewoonlik van koolstof gepraat, maar dit is eintlik te simplisties –’n veralgemening,’ sê Thomas Leschik, hoof van ingenieurswese by die Duitse wielvervaardiger Lightweight. 'Dit is eintlik 'n matriks van koolstofvesels en epoksiehars. Die meer akkurate term is CFRP – koolstofveselversterkte plastiek.’
Ons hoogs gesogte perde is dus weinig meer as versterkte plastiekfietse. Dit is 'n eenvoudige afkorting, en gaan 'n lang pad om die belangrikheid van harse te verduidelik - wat die plastiek (of polimeer) deel van CFRP is. In wese gee die hars die saamgestelde materiaal sy styfheid. Soos Phil Dempsey van Aprire, 'n maatskappy wat spesialiseer in koolstofveselfietse, dit stel: 'Koolstofvesel is suiwer 'n stof. Alleen is dit net 'n stukkie lap.’
Wanneer dit by produkbeskrywings en die gepaardgaande bemarkingspoging kom, word die koolstofveselhandelsmerk of -tipe (bv. Toray, T800, 65HM1K, ultrahoë modulus) gereeld uitbasuin as die fundamentele kenmerk van die voltooide produk se kenmerke. Dit is asof daar niks anders speel nie, maar in werklikheid maak die vesels net meer as die helfte van die raammateriaal uit. Die res is die epoksiehars, wat duidelik 'n belangrike rol moet speel in hoe 'n moderne fiets presteer. Waarom noem die bemarkingsblad dit dan min?
Die ABC van CFRP
| CFRP |
Koolstofveselversterkte plastiek (of polimeer). Die saamgestelde materiaal verwys to as koolstof- of koolstofvesel. |
| Cure |
Die proses om hitte en dikwels druk op 'n CFRP-struktuur toe te pas om die te 'stel' hars en bied styfheid aan die voltooide stuk. |
| Vesel | Stringe van koolstof wat saam geweef of gebrei word om die versterkende element van 'n CFRP-struktuur te skep. Word dikwels 'filamente' genoem. |
| Mould | Die fisiese komponent waarin en rondom koolstofveselplate gelê word om die raam te skep. |
| Ply-boek | In wese 'n boek van verheerlikte naaldwerkpatrone. Hierdie gee besonderhede oor hoe elke individuele stuk koolstofvesel gesny en saamgestel word, en dit is die geheime wat die naaste bewaar word. |
| Pre-preg | Velle koolstofveseldrade wat met ongeharde hars geïmpregneer is. |
| Resin | 'n Vloeibare polimeer wat gebruik word om vesels binne 'n CFRP-struktuur aanmekaar te bind. |
Insiderkennis
Om die rol wat hars in 'n voltooide koolstofveselfiets het, te verstaan, moet ons die vervaardigingsproses verstaan, en hoe die hars daarin ingewerk word.
In wese is daar twee tipes koolstofveselkonstruksie: nat en droog. Vir nat vervaardiging koop 'n maatskappy koolstofvesellap wat reeds met hars geïmpregneer is, bekend as pre-preg. Hierdie klewerige velle word in of om 'n vorm gelê en dan met hitte en druk genees om styfheid te vestig. Die vervaardigingstegniek vir droë harsinfusie kan twee verskillende vorme aanneem. Die eerste is soortgelyk aan die manier waarop pre-preg vervaardiging plaasvind, met gesnyde vorms van droë lap wat oor 'n vorm gelê word, met die hars bygevoeg as deel van die uithardingsproses. Die tweede tegniek, wat deur maatskappye soos Time en BMC (met sy Impec-fietse) gebruik word, behels die rek van 'n aaneenlopende buisvormige sokkieagtige struktuur oor 'n vorm in 'n enkele lengte. Van hier af word die hars onder druk by die reeds gevormde vorms gevoeg.
Giant is die enigste handelsmerk wat al sy eie koolstof pre-preg produkte vervaardig van 'spoel tot afwerking' – dit wil sê hy koop sy koolstofvesel as 'n draad op groot spoele, voeg sy eie hars by, en gaan voort om sy rame, stawe, stingels en bykomstighede te vervaardig. Giant lyk dus na 'n goeie maatskappy om te vra oor die belangrikheid van harse.
Die Britse produk- en opleidingsbestuurder, David Ward, sê: 'Ons koolstofveselfilament word direk vanaf Toray [die wêreld se grootste koolstofveselprodusent] na die spoelkamer afgelewer. Van daar af word dit na die weefgetouws geryg en in groot koolstofdoekvelle geweef. Dit is na weef dat die hars bygevoeg word. Die hars sit in 'n trog bokant die rollersamestelling en word op die bewegende lap deurgegee, deur middel van rollers op die filamente aangebring.' Die proses is 'n eenvoudige een, en die tegniek wat deur Giant gebruik word, is redelik identies aan dié wat deur alle vervaardigers van pre-preg koolstofvesel. Maar hoewel dit dalk eenvoudig in sy meganika is, is die akkuraatheid, herhaalbaarheid en beheer noodsaaklik vir die voltooide produk se integriteit.
‘Die hars moet tussen elke filament vloei en elke filament perfek bedek,’ sê Ward. 'Goeie harsverspreiding is noodsaaklik om goeie pre-preg uit die einde van 'n produksielyn te kry.' Dempsey by Aprire voeg by: 'Dit is so belangrik dat die hars deur die lae gaan. As jy die hars verkeerd kry, het jy 'n gekraakte raam. Dit is regtig krities.’
In die duisternis
'Omdat hars 40% van 'n Giant-raam uitmaak nadat dit gehard is, is die hars 'n baie belangrike deel,' sê Ward. ‘Sodra dit termohard [gehard] is, is dit die hars wat die struktuur styfheid gee.’ Benewens basiese strukturele eienskappe, speel hars nog 'n belangrike rol. Dempsey sê: 'Jy moet spanning van een deel na 'n ander oordra. Dis harse wat die oordrag van vragte tussen die lae vesel toelaat.’
Verskillende harse sal die prestasie van die finale produk beïnvloed. Dempsey sê: 'As die hars te viskeus is, sal dit nie deur die koolstof loop nie en jy eindig met vesels wat aan mekaar raak. Ideaal gesproke wil jy hulle fyn geskei hê.’
Dan is daar die kwessie van saamdrukbaarheid, wat die dikte van koolstofstrukture beïnvloed. "Verskillende bymiddels in die hars sal die saamdrukbaarheid beïnvloed," sê Dempsey.'Jy kan 'n ander laagdikte kry, afhangende van die hars se eienskappe. Oor die algemeen sal goedkoper harse dikker wees. Met 'n goeie hars kan die koolstofvesels mikron uitmekaar wees. Dit gee jou dunner mure vir dieselfde sterkte-eienskappe, wat 'n ligter raam beteken.’n Goedkoper hars laat meer materiaal tussen vesels en lae.’
Terwyl Giant heeltemal in-huis vervaardig, kon hy sy eie harse ontwikkel. Ward sê: 'Ons is nou op ons derde generasie van harsontwikkeling. Die kleiner besonderhede van die giet- en uithardingsproses is alles te danke aan die harseienskappe – die temperatuur waarteen dit afgaan en die tyd wat die genesing neem.’ As gevolg van die wye prysklas van sy koolstofprodukte, gebruik Giant twee soorte hars. "Ons standaardhars word op alle produklyne gebruik, behalwe die Advanced SL-produkte," sê Ward. 'Vir die Advanced SL gebruik ons 'n nanotegnologie-bymiddel. Nanopartikels verhoog die impakweerstand van ons rame met 18% met geen negatiewe effek op styfheid of gewig nie. Hulle kos egter baie meer.’
'n Bykomende neweproduk van die deeltjies is verbeterde muurverdigting tydens die genesing. 'Die nanopartikels laat die hars toe om die mikro-leemtes in die opleg te vul. Die hars vloei eintlik beter, wat die potensiaal vir leemtes verminder en wanddikte verminder, ' voeg Ward by.
'n Hars se rol in leemtevermindering is 'n sleutelpunt in die strukturele integriteit van 'n raam, soos Dempsey verduidelik. "Leemtes in die hars is gate wat spanning sal versamel," sê hy. 'Dit is potensiële mislukkingspunte, en leemtes misluk deur uitmekaar te waai soos die lae delamineer. Jy kan steeds delaminering kry sonder leemtes, maar jy wil mik vir minimale lugsakke in die saamgestelde.’
Benewens vragoordrag, wanddikte en robuustheid, kan harse 'n uitwerking op die rit van die fiets hê. Dempsey sê: 'Uit 'n eenvoudige oogpunt kan jy aan harse dink as 'n twee-pak Araldite-styl produk met 'n hars en 'n verharder. Die hoeveelheid verharder wat met 'n gegewe hars gebruik word, kan 'n wesenlike uitwerking op die ritgeh alte hê. Vir 'n goeie fietsraam, benodig jy 'n bietjie buiging binne 'n geharde hars om voorsiening te maak vir die oordrag van spanning tussen lae koolstofvesel. Jy kan dit kry deur 'n sterker hars met minder verharder te gebruik. Slim ontwerpers kan 'n stywer of meer ooreenstemmende struktuur kry vir 'n gegewe gewig. Jy kan nie op 'n hars staatmaak vir styfheid nie, maar as 'n ingenieur moet jy bewus wees van die potensiële eienskappe wat die hars tot 'n voltooide struktuur kan byvoeg.’
Harse is duidelik belangrik vir die kwaliteit van die voltooide raam, so ons keer terug na die vraag hoekom ons so min daarvan hoor.
‘Hars is 'n toelaat, nie 'n kenmerkbestuurder nie,' sê Dempsey. 'Hars laat ons toe om die verskillende lae koolstofvesel saam te bind – byvoorbeeld T700 tot T800 – om die verskillende eienskappe te gebruik wat die vesels aan ons bied. Dit is moeilik om te verkoop, en baie moeilik om te draai, maar die rol wat hulle speel moet nie onderskat word nie.’
Giant se David Ward stel dit meer bondig: 'Resins is only a glue. Hulle is net nie sexy nie.’
Hitte van die oomblik
Gegewe dat die meeste fietsvervaardigers pre-preg koolstof gebruik, is hul keuses beperk ten opsigte van die gebruik van hars om die werkverrigting van 'n raam te beïnvloed. Maar dit keer nie mense op soek na nuwe rigtings, of om hars- en pre-preg-maatskappye te stoot om verskillende produkte te produseer nie.
Dempsey sê: 'Ons werk daaraan om vennote te kry om 'n hars te vervaardig wat nie by kamertemperatuur afgaan nie. Een beperkende faktor met ontwerp is dat sodra jy pre-preg uit sy koelstoor neem, dit begin lug genees. Dit sal nooit heeltemal hard word buite die uithardingsoond nie, maar dit sal "afgaan". 'n Pre-preg wat ons in staat gestel het om 'n meer komplekse opstelproses te gebruik, en ons bladboek [sien woordelys, links] te ontwikkel tot die vlak wat ons wil hê, sal ons in staat stel om veel meer uit ons eindresultaat te kry. Dit sal briljant vir ons wees.’
Een gebied waar harse 'n groot rol speel, is die vervaardiging van koolstofwiele. Hier is harse die sleutel, nie net vir die strukturele integriteit en styfheid van die wiel nie, maar ook vir remverrigting.
Leschik van Liggewig sê: 'Die swakste punt van 'n hars is sy temperatuurgedrag. Die meeste harse het probleme bo 150°C. Oor die afgelope 10 jaar het ons die temperatuurweerstand van ons harse drievoudig verhoog.’
Byna elke fietsryer sal 'n gruwelverhaal gehoor het oor 'n koolstofwiel wat op 'n lang afdraande misluk het as gevolg van hitte-opbou, maar wat gebeur eintlik wanneer remkussing velling ontmoet? Leschik sê: 'Tribologie is die wetenskap en ingenieurswese van interaktiewe oppervlaktes in relatiewe beweging. Dit sluit die studie en toepassing van die beginsels van wrywing, smering en slytasie in. Rem op 'n CFRP-velg met rubberremskoene in nat of droë toestande is een so 'n tribologiese stelsel. Die optimalisering van hierdie stelsel vir goeie remverrigting is nie moontlik sonder hoë-temperatuurbestande harse nie.’
Soos met raamwerkverrigting, is dit bymiddels in die harse wat bydra tot die hittebestandheid en tot die prys. Een so 'n bymiddel is 'n keramiek - silika. Terwyl Aprire nie wiele maak nie, verstaan Dempsey die proses: 'Harse maak 'n massiewe verskil in 'n koolstofrandstruktuur. Die byvoeging van silika trek byvoorbeeld 'n aansienlike hoeveelheid hitte van die liggaam van die struktuur af en laat die lugvloei die rand baie beter afkoel as met 'n standaard CFRP-velg. Koper sal 'n goeie toevoeging wees aangesien dit die vermoë het om groot hoeveelhede hitte te trek, maar daar is potensiaal dat swael in die hars kan uitloog as vog deur enige mikrokrake inkom. Dit sou tot byna sekere delaminering lei. Hitte-sinks – maas in die hars – het groot potensiaal. Hierdie tegnologie kan dalk kom.’
Leschik van Liggewig het ook groot vertroue in harsontwikkelings: 'Ons kyk na die optimalisering van die velgremvellings. Met slim harse is ons seker dat ons die ruiter dieselfde remverrigting as skywe kan gee sonder 'n enkele ekstra gram gewig.’
Die harde waarheid
Dit is duidelik dat hars 'n onbesonge held van die fietsbouproses is. Dit kan die styfheid, robuustheid, gewig, veiligheid en prys van koolstofveselprodukte beïnvloed, so kan ons verwag dat vervaardigers liries sal begin was oor die wonders van hul taai goed? Waarskynlik nie, want dit is steeds net een deel van 'n komplekse stelsel. Hars van hoë geh alte sal nie vergoed vir swak kwaliteit koolstofvesel of ongeïnspireerde konstruksietegnieke nie. Soos Lightweight se Leschik dit stel, 'Dit is elke keer dieselfde: om 'n lekker koek te kook, benodig jy die regte bestanddele in die regte verhouding, goed gemaak.'
Koolstof-jargon: Wat beteken dit alles?
