Karbon w rowerach - wszystko co powinieneś o nim wiedzieć [cz. 1]

Przeczytaj koniecznie: Karbon w rowerach - drogi lecz wspaniały materiał [cz.2]

Trochę historii

Włókno węglowe potocznie nazywane karbonem to fantastyczny materiał pod każdym względem. Nie dość, że jest niezwykle lekki, to do tego piekielnie wytrzymały. Geneza tego materiału sięga roku 1963, kiedy to zaczął być wykorzystywany w lotnictwie i przez NASA. Ponieważ cała technologia i produkcja była nieziemsko (to słowo bardzo tu pasuje) droga, właściwie tylko te dwie branże wykorzystywały tę technologię. W latach późniejszych karbonem zainteresowały się zespoły F1, które widziały w tym systemie przyszłość. W 1981 roku zespół McLaren'a zbudował pierwszy bolid do którego budowy posłużyły w dużej mierze włókna węglowe.

Niki Lauda w McLarenie MP4-2 z 1984 r Fot. wikipedia źródło: en.wikipedia.org

Formuła 1 jest poligonem doświadczalnym nowych technologii. Sprawdziło się to w przypadku karbonu, który "zjechał" z torów wyścigowych na drogi publiczne będąc budulcem do tworzenia "cywilnych" modeli MacLaren'a.

Karbon powoli stawał się bardziej przystępny cenowo i coraz więcej firm z różnych branż zaczęło stosować ten kompozyt przy wytwarzaniu swoich produktów. Karbon znalazł zastosowanie nie tylko we wspomnianym już przemyśle motoryzacyjnym, ale także sportowym, np. przy produkcji wędek, nart czy ram rowerowych.

Jak wygląda karbon

Otóż najczęściej karbon występuje w formie tkaniny uplecionej z pojedynczego włókna. Takie włókno w tkaninie zbudowane jest z wielu, nawet do 12 tysięcy (taka tkanina nosi oznaczenie12k) pojedynczych nitek włókna węglowego. Ich grubość mieści się w przedziale od 0,005 do 0,010 mm, czyli jest 1/10 grubości włosa. Tkaniny mogą różnią się także splotami które je tworzą.

Rodzaj splotu wpływa na skomplikowanie procesu wytwarzania, wygląd oraz przede wszystkim wytrzymałość finalnego produktu. Tkaniny występują w trzech odmianach:

- Jednokierunkowa , która charakteryzuje się wysoką wytrzymałością wzdłuż włókien, ale małą w ich poprzek. Sprawdza się ona doskonale gdy element jest obciążony tylko w jednym wymiarze. Jeśli konstrukcja zbudowana z takiej tkaniny ma być bardziej wytrzymała, należy układać warstwy tkaniny pod różnymi kątami. - Kolejny rodzaj splotu to 2/2, tzw. twill , czyli włókna splotu krzyżują się pod kątem 90 stopni. Tkanina ta charakteryzuje się zrównoważoną wytrzymałością w różnych kierunkach. - Ostatni splot to 1/1, tzw plain . Rzeczy wykonane z takiej tkaniny różnią się pod wglądem ułożenia włókien, niż produkty ze splotu 2/2. Tkanina taka ma dość małą rozciągliwość i przeznaczona jest do prostych kształtów.

różne sploty włókien węglowych źródło: www.carbonfibergear.com źródło: www.carbonfibergear.com

Sama mata, nawet z najlepszego splotu jest tylko półproduktem. Mata jest cienka, wiotka i nie da się jej nadać na stałe kształtu. Aby to zrobić należy nasączyć tkaninę żywicą, np. epoksydową. Oczywiście liczba warstw tkanin, ich ułożenie i ilość wykorzystanej żywicy odpowiadają później za finalne właściwości produktu.

tworzenie elementów z karbonu źródło: carbonfibergear.com źródło: carbonfibergear.com

Karbon w rowerach

Jedną z większych innowacji w ostatnich latach dla branży rowerowej było niewątpliwie masowe wykorzystanie włókna węglowego do produkcji elementów rowerowych. Za sprawą coraz bardziej przystępnej ceny, w latach 90-tych ubiegłego wieku, karbon zaczął być szerzej stosowany w przemyśle rowerowym. Na początku stosowany był głównie do produkcji ram, które jednak były bardzo drogie. Ich cena niestety nie była współmierna do jakości i dopracowania tego najważniejszego elementu budującego rower. W XXI wieku przemysł motoryzacyjny i lotniczy, w których wciąż głównie była wykorzystywana ta technologia, uczyniła znaczny postęp w metodach łączenia elementów karbonowych. To spowodowało, iż branża rowerowa zapożyczała nowinki techniczne i zaczęły powstawać lepsze jakościowo i lepiej dopracowane produkty. Z czasem karbon bardzo się rozpowszechnił i w tej chwili tworzy się z niego nie tylko rowerowe ramy, ale też obręcze, sztyce, kierownice wózki przerzutek i inne elementy rowerów.

Jako materiał do budowy ram rowerowych przez wiele lat niezastąpione było aluminium, którego droga do branży rowerowej była bardzo podobna do karbonu (lotnictwo- motoryzacja - sport). Aluminium jest dużo lżejsze od stali, jest wytrzymałe oraz przystępne cenowo. Materiał ten stał się bardzo popularny i powszechnie stosowany przy produkcji ram rowerowych. Technikę produkcji i obróbki stopów tego metalu doprowadzono do perfekcji, tworząc ramy potrójnie cieniowane, czy hydroformowane w fantazyjne kształty. Aluminium charakteryzuje się również bardzo dużą sztywnością co przekłada się na precyzję prowadzenia, efektywność w przyspieszaniu i przełożeniu mocy pedałowania na tylne koło. Jednak jazda rowerem z aluminiową ramą szczególnie bez amortyzatora nie jest komfortowa, ponieważ konstrukcja jest na tyle sztywna iż nie tłumi mikrodrgań.

Metody budowy ram z karbonu

Być może idea na wykorzystanie karbonu w budowie ram rowerowych mogła zrodzić się w głowach tych, którym przeszkadzała wspomniana sztywność, chociaż raczej na pewno było to spowodowane chęcią redukcji masy roweru. Przez lata branża rowerowa opracowywała i doskonaliła metody obróbki włókna węglowego. Następstwem tej swoistej ewolucji jest możliwość stworzenia ram i innych elementów składających się na rower, które mają nawet bardzo skomplikowany kształt.

Zanim jednak do tego doszło pierwsze ramy z użyciem karbonu budowane były z rurek węglowych łączonych za pomocą aluminiowych muf przy pomocy specjalnego kleju, podobnie jak kiedyś tworzono ramy stalowe.

metoda łączenia przy pomocy metalowych muff żródło: bikerumor.com żródło: bikerumor.com

Niestety przy konstrukcjach tego typu występowały problemy z utlenianiem się metalu i ramy takie po prostu pękały. Zrezygnowano zatem całkowicie z wykorzystania metalu i skupiono się tylko i wyłącznie na karbonie. Ta metoda była dość prosta i nie wymagała zaawansowanej technologii.

Kolejny sposób produkcji karbonowych ram rowerowych nosi nazwę Tube to Tube (T2T) . W tej technice tworzenia ram w miejsce muf wykorzystywane są precyzyjne przycięte pod wymiar rury kompozytowe, które łączy się za pomocą klejów bardzo wysokiej wytrzymałości.

rama karbonowa wytworzona metodą T2T źródło: austin.craigslist.org źródło: austin.craigslist.org

Jednak taki proces nie wykorzystuje w pełni zalet kompozytu. Przede wszystkim w zaawansowanych ramach rury jak i łączniki laminowane są w miarę obciążeń jakie w danym miejscu mogą występować, co zwiększa sztywność i wytrzymałość.

Obecnie najbardziej popularną metodą wytwarzania ram jest technologia Monocoque , zwana skorupową. Tak wytwarzana rama jest praktycznie "szyta na miarę". Rama wykonana jest z jednego elementu i wytwarzana jest w specjalnej formie w której następnie jest wypiekana.

Monocoque - metoda wytwarzania ramy rowerowej źródło: mbr.co.uk źródło: mbr.co.uk

Rdzeniem na który laminuje się odpowiednie warstwy tkanin karbonowych zazwyczaj jest pianka lub pompowane silikonowe elementy (balony). Pozwala to tworzyć nieograniczone kształty i formy. Możliwe jest zaplanowanie i wyliczenie przebiegu każdej położonej warstwy tkaniny. Taka rama jest bardzo wytrzymała dzięki braku łączeń i możliwości odpowiedniego ułożenia włókien w kluczowych, mocno obciążonych miejscach, takich jak główka ramy czy mufa suportu. Otrzymujemy spójną i trwałą strukturę kompozytową, która doskonale przenosi naprężenia oraz rozprasza drgania. Niestety taki sposób produkcji ramy jest dość kosztowny, gdyż dla każdego rozmiaru potrzeba oddzielną bardzo droga formę. Każdą ramę tworzy się ręcznie, tak samo później obrabia, szlifuje, szpachluje czy maluje.

A tutaj możecie prześledzić proces powstawania ramy karbonowej:

autor: Adam Sypniewski z rowereo.pl

C.D.N