Smola je neopevani junak, ki drži vaš karbonski okvir skupaj in je prav tako ključnega pomena za zmogljivost
Vprašajte večino cestnih voznikov, iz česa je narejen okvir njihovega kolesa, in odgovor bo verjetno "karbon". Vprašajte kogar koli, ki se ukvarja z izdelavo okvirjev koles (ali drugih izdelkov iz tega tkanega čudežnega materiala), in dobili boste bolj zapleten odgovor.
»V kolesarski industriji običajno slišimo govor o karbonu, vendar je to v resnici preveč poenostavljeno – posploševanje,« pravi Thomas Leschik, vodja inženiringa pri nemškem proizvajalcu koles Lightweight. To je pravzaprav matrika ogljikovih vlaken in epoksi smole. Točnejši izraz je CFRP – plastika, ojačana z ogljikovimi vlakni.'
Torej so naši zelo zaželeni konji le malo več kot ojačana plastična kolesa. To je preprosta okrajšava, ki v veliki meri razloži pomen smol – ki so plastični (ali polimerni) del CFRP. V bistvu smola daje kompozitnemu materialu njegovo togost. Kot pravi Phil Dempsey iz podjetja Aprire, specializiranega za kolesa iz ogljikovih vlaken, so ogljikova vlakna izključno tkanina. Sam je samo kos blaga.'
Ko gre za opise izdelkov in spremljajočo marketinško špico, se blagovna znamka ali vrsta ogljikovih vlaken (npr. Toray, T800, 65HM1K, ultra visok modul) redno razglaša kot temeljna značilnost lastnosti končnega izdelka. Kot da ni nič drugega v igri, v resnici pa vlakna sestavljajo le malo več kot polovico materiala okvirja. Ostalo je epoksidna smola, ki mora očitno igrati pomembno vlogo pri delovanju sodobnega kolesa. Zakaj pa ga marketinški oglas redko omenja?
ABC CFRP
| CFRP |
Plastika (ali polimer), ojačana z ogljikovimi vlakni. Naveden kompozitni material v kot karbon ali ogljikova vlakna. |
| Cure |
Postopek dovajanja toplote in pogosto pritiska na CFRP strukturo za "nastavitev" smolo in zagotovite togost končnemu kosu. |
| Fibre | Prameni ogljika, ki so tkani ali pleteni skupaj, da ustvarijo ojačitveni element strukture CFRP. Pogosto imenovani "filamenti". |
| Plesen | Fizična komponenta v in okoli katere so položene plošče iz ogljikovih vlaken, da ustvarijo okvir. |
| Ply knjiga | V bistvu knjiga opevanih šivalnih vzorcev. Ti podrobno opisujejo, kako je vsak posamezen kos ogljikovih vlaken izrezan in sestavljen, in so najbolj varovane skrivnosti. |
| Pred nosečnostjo | Plasti niti iz ogljikovih vlaken, impregnirani z nestrjeno smolo. |
| Smola | Tekoči polimer, ki se uporablja za povezovanje vlaken znotraj strukture CFRP. |
Notranje znanje
Da bi razumeli vlogo smole v končnem kolesu iz ogljikovih vlaken, moramo razumeti proizvodni proces in kako je smola vključena vanj.
V bistvu obstajata dve vrsti konstrukcije iz ogljikovih vlaken: mokra in suha. Za mokro proizvodnjo podjetje kupi blago iz ogljikovih vlaken, ki je že impregnirano s smolo, znano kot prepreg. Te lepljive plošče se položijo v kalup ali okrog njega in se nato strdijo s toploto in pritiskom, da se zagotovi togost. Tehnika izdelave suhe smolne infuzije ima lahko dve različni obliki. Prvi je podoben načinu izdelave predprega, z izrezanimi oblikami suhe tkanine, položenimi na kalup, smola pa je dodana kot del procesa sušenja. Druga tehnika, ki jo uporabljajo podjetja, kot sta Time in BMC (s svojimi kolesi Impec), vključuje raztezanje neprekinjene cevaste strukture, podobne nogavicam, čez kalup v eni dolžini. Od tu se smola pod pritiskom dodaja že oblikovanim oblikam.
Giant je edina blagovna znamka, ki izdeluje vse lastne ogljikove predpreg izdelke od "tulja do konca" – kar pomeni, da kupuje svoja ogljikova vlakna kot nit na velikih kolutih, doda lastno smolo in nadaljuje s proizvodnjo svojih okvirjev, palic, drogov in dodatkov. Giant se torej zdi primerno podjetje za vprašanja o pomenu smol.
Njegov produktni vodja in vodja usposabljanja v Združenem kraljestvu, David Ward, pravi: 'Naše filamente iz ogljikovih vlaken dostavlja Toray [največji proizvajalec ogljikovih vlaken na svetu] neposredno v prostor za navijanje. Od tam se napelje na statve in tke v ogromne rjuhe iz ogljikovega blaga. Po tkanju se doda smola. Smola sedi v koritu nad sklopom valjev in se prenese na premikajočo se tkanino, ki se prek valjev nanese na filamente.“Postopek je preprost in tehnika, ki jo uporablja Giant, je skoraj enaka tisti, ki jo uporabljajo vsi proizvajalci predpreg ogljikovih vlaken. Toda čeprav je lahko njegova mehanika preprosta, so natančnost, ponovljivost in nadzor ključni za celovitost končnega izdelka.
'Smola mora teči med in popolnoma prekriti vsak filament,' pravi Ward. »Dobra porazdelitev smole je ključnega pomena za pridobivanje dobrega predprega s konca proizvodne linije.« Dempsey pri Aprire dodaja: »Zelo pomembno je, da gre smola skozi plasti. Če se zmotite s smolo, imate počen okvir. Res je kritično.'
V središču dogajanja
'Ker smola predstavlja 40 % okvirja Giant po utrjevanju, je smola zelo pomemben del,' pravi Ward. „Ko je termosetirana [strjena], je smola tista, ki daje strukturi togost.“Poleg osnovnih strukturnih lastnosti ima smola še eno pomembno vlogo. Dempsey pravi: "Napetosti morate prenesti iz enega dela v drugega. Smole so tiste, ki omogočajo prenos obremenitev med plastmi vlaken.’
Različne smole bodo vplivale na učinkovitost končnega izdelka. Dempsey pravi: »Če je smola preveč viskozna, ne bo stekla skozi ogljik in na koncu se bodo vlakna dotikala. V idealnem primeru bi želeli, da sta ločena do minute.«
Potem je tu še vprašanje stisljivosti, ki vpliva na debelino ogljikovih struktur. "Različni dodatki v smoli bodo vplivali na stisljivost," pravi Dempsey.„Lahko dobite drugačno debelino plasti, odvisno od lastnosti smole. Na splošno bodo cenejše smole debelejše. Z dobro smolo so lahko ogljikova vlakna mikronov narazen. To vam daje tanjše stene za enako trdnost, kar pomeni lažji okvir. Cenejša smola pusti več materiala med vlakni in plastmi.’
Ker Giant izdeluje popolnoma lastno, je lahko razvil lastne smole. Ward pravi: »Zdaj smo na tretji generaciji razvoja smole. Manjše podrobnosti postopka oblikovanja in strjevanja so odvisne od lastnosti smole – temperature, pri kateri izgine, in časa, ki je potreben za strjevanje.“Zaradi širokega cenovnega razpona svojih karbonskih izdelkov Giant uporablja dve vrsti smole. "Naša standardna smola se uporablja v vseh linijah izdelkov, razen v izdelkih Advanced SL," pravi Ward. „Za Advanced SL uporabljamo nanotehnološki dodatek. Nanodelci povečajo odpornost naših okvirjev na udarce za 18 % brez negativnega vpliva na togost ali težo. Stanejo pa veliko več.’
Dodaten stranski produkt delcev je izboljšano zbijanje sten med strjevanjem. „Nanodelci omogočajo, da smola zapolni mikro praznine v nanosu. Smola dejansko bolje teče, kar zmanjša možnost za nastanek praznin in zmanjša debelino stene,’ dodaja Ward.
Vloga smole pri zmanjševanju praznin je ključna točka v strukturni celovitosti okvirja, kot pojasnjuje Dempsey. "Praznine v smoli so luknje, ki bodo zbirale napetost," pravi. "To so potencialne točke napak, praznine pa propadejo, ko se plasti razslojijo. Še vedno lahko dobite delaminacijo brez praznin, vendar si želite prizadevati za čim manj zračnih žepov v kompozitu.’
Poleg prenosa obremenitev, debeline stene in robustnosti lahko smole vplivajo na vožnjo kolesa. Dempsey pravi: »S preprostega vidika si lahko smole predstavljamo kot dvokomponentni izdelek v stilu Araldite s smolo in trdilcem. Količina utrjevalca, uporabljenega z določeno smolo, lahko bistveno vpliva na kakovost vožnje. Za dober okvir kolesa potrebujete nekaj upogljivosti v strjeni smoli, da omogočite prenos napetosti med plastmi ogljikovih vlaken. To lahko dosežete z uporabo močnejše smole z manj trdilca. Pametni oblikovalci lahko dobijo tršo ali bolj skladno strukturo za določeno težo. Ne morete se zanašati na smolo glede togosti, vendar se morate kot inženir zavedati potencialnih lastnosti, ki jih lahko smola doda končni strukturi.'
Smole so očitno pomembne za kakovost končnega okvirja, zato se vračamo k vprašanju, zakaj tako malo slišimo o njih.
'Smola omogoča in ne gonilnik funkcij,' pravi Dempsey. „Smola nam omogoča, da povežemo različne plasti ogljikovih vlaken – na primer T700 do T800 –, da uporabimo različne lastnosti, ki nam jih predstavljajo vlakna. Težko jih je prodati in zelo težko jih je zavrteti, vendar vloge, ki jo igrajo, ne smemo podcenjevati.«
David Ward iz Giant pove bolj jedrnato: 'Smole so le lepilo. Samo niso seksi.'
Vročina trenutka
Glede na to, da večina proizvajalcev koles uporablja predpreg karbon, so njihove izbire omejene v smislu uporabe smole, ki vpliva na delovanje okvirja. Toda to ne prepreči ljudi, ki iščejo nove smeri ali spodbujajo podjetja za proizvodnjo smole in predpreg, da proizvajajo različne izdelke.
Dempsey pravi: »Prizadevamo si, da bi partnerje pridobili za proizvodnjo smole, ki ne izgine pri sobni temperaturi. Eden od omejevalnih dejavnikov pri načrtovanju je, da takoj, ko vzamete predpreg iz hladilnice, se začne strjevati na zraku. Nikoli se ne bo popolnoma strdil izven pečice za sušenje, vendar bo "ugasnil". Predpreg, ki nam je omogočil uporabo bolj zapletenega postopka polaganja in razvoj naše vložke [glej glosar levo] do ravni, ki jo želimo, bi nam omogočil, da iz končnega rezultata dobimo veliko več. To bi bilo za nas sijajno.’
Eno področje, kjer imajo smole veliko vlogo, je proizvodnja karbonskih koles. Tu so smole ključne ne le za strukturno celovitost in togost kolesa, temveč tudi za zavorno zmogljivost.
Leschik iz Lightweight pravi: 'Najšibkejša točka smole je njeno temperaturno obnašanje. Večina smol ima težave nad 150°C. V zadnjih 10 letih smo temperaturno obstojnost naših smol povečali za trikrat.’
Skoraj vsak kolesar je slišal grozljivo zgodbo o tem, da je karbonsko kolo odpovedalo pri dolgem spustu zaradi kopičenja toplote, toda kaj se dejansko zgodi, ko se zavorna ploščica sreča z obročem? Leschik pravi: »Tribologija je znanost in inženiring medsebojno delujočih površin v relativnem gibanju. Vključuje preučevanje in uporabo principov trenja, mazanja in obrabe. Zaviranje na platišču CFRP z gumijastimi zavornimi ploščicami v mokrih ali suhih razmerah je en tak tribološki sistem. Optimizacija tega sistema za dobro delovanje zavor ni mogoča brez smol, odpornih na visoke temperature.’
Tako kot pri zmogljivosti okvirja dodatki v smolah povečajo toplotno odpornost in ceno. Eden takšnih dodatkov je keramika – silicijev dioksid. Čeprav Aprire ne izdeluje koles, Dempsey razume proces: Smole naredijo ogromno razliko v strukturi karbonskih platišč. Na primer, dodajanje silicijevega dioksida odvzame precejšnjo količino toplote telesu konstrukcije in omogoči, da zračni tok ohladi platišče veliko bolje kot pri standardnem platišču CFRP. Baker bi bil odličen dodatek, saj ima sposobnost črpanja ogromnih količin toplote, vendar obstaja možnost, da se žveplo izpira v smolo, če vlaga vstopi skozi kakršne koli mikro razpoke. To bi povzročilo skoraj gotovo razslojevanje. Toplotni odvodi – mreže znotraj smole – imajo velik potencial. Ta tehnologija se lahko pojavi.«
Leschik iz Lightweight prav tako močno verjame v razvoj smol: 'Iščemo optimizacijo platišč za zaviranje. S pametnimi smolami smo prepričani, da lahko vozniku zagotovimo enako zavorno zmogljivost kot diski brez enega samega dodatnega grama teže.’
Teška resnica
Jasno je, da je smola neopevani junak procesa izdelave koles. Lahko vpliva na togost, robustnost, težo, varnost in ceno izdelkov iz ogljikovih vlaken, torej ali lahko pričakujemo, da bodo proizvajalci začeli z voskom govoriti o čudežih svojih lepljivih stvari? Verjetno ne, ker je še vedno le en del kompleksnega sistema. Kakovostna smola ne bo nadomestila slabe kakovosti ogljikovih vlaken ali nenavdihnjenih gradbenih tehnik. Kot pravi Leschik iz Lightweighta: "Vsakič je enako: za pripravo dobre torte potrebujete prave sestavine v pravem razmerju, dobro pripravljene."
Carbon žargon: Kaj vse to pomeni?
