Η Ρητίνη είναι ο αφανής ήρωας που συγκρατεί το πλαίσιο από άνθρακα και είναι εξίσου σημαντικό για την απόδοση
Ρωτήστε τους περισσότερους roaders από τι είναι φτιαγμένο το πλαίσιο του ποδηλάτου τους και η απάντηση θα είναι πιθανότατα «carbon». Ρωτήστε οποιονδήποτε ασχολείται με την κατασκευή σκελετών ποδηλάτων (ή ακόμη και άλλα προϊόντα που κατασκευάζονται από αυτό το θαυματουργό υλικό) και θα λάβετε μια πιο περίπλοκη απάντηση.
«Στη βιομηχανία ποδηλάτων συνήθως ακούμε να μιλάμε για άνθρακα, αλλά στην πραγματικότητα αυτό είναι πολύ απλοϊκό – μια γενίκευση», λέει ο Thomas Leschik, επικεφαλής μηχανικής στη γερμανική εταιρεία κατασκευής τροχών Lightweight. «Είναι στην πραγματικότητα μια μήτρα από ίνες άνθρακα και εποξειδική ρητίνη. Ο πιο ακριβής όρος είναι CFRP – πλαστικό ενισχυμένο με ανθρακονήματα.'
Έτσι, τα πολυπόθητα άλογα μας είναι κάτι περισσότερο από ενισχυμένα πλαστικά ποδήλατα. Είναι μια απλή συντομογραφία και εξηγεί πολύ τη σημασία των ρητινών – που αποτελούν το πλαστικό (ή πολυμερές) μέρος του CFRP. Ουσιαστικά η ρητίνη δίνει στο σύνθετο υλικό την ακαμψία του. Όπως λέει ο Phil Dempsey της Aprire, μιας εταιρείας που ειδικεύεται στα ποδήλατα από ανθρακονήματα, «το carbon fiber είναι καθαρά ένα ύφασμα. Μόνος του είναι απλώς ένα κομμάτι ύφασμα.'
Όσον αφορά τις περιγραφές προϊόντων και το συνοδευτικό μάρκετινγκ, η μάρκα ή ο τύπος ανθρακονημάτων (π.χ. Toray, T800, 65HM1K, εξαιρετικά υψηλός συντελεστής) θεωρείται συνήθως ως το θεμελιώδες χαρακτηριστικό των χαρακτηριστικών του τελικού προϊόντος. Είναι σαν να μην παίζει τίποτα άλλο, αλλά στην πραγματικότητα οι ίνες αποτελούν λίγο περισσότερο από το ήμισυ του υλικού του πλαισίου. Το υπόλοιπο είναι η εποξειδική ρητίνη, η οποία σαφώς πρέπει να παίζει σημαντικό ρόλο στην απόδοση ενός σύγχρονου ποδηλάτου. Γιατί, λοιπόν, σπάνια το αναφέρει η φράση μάρκετινγκ;
Το ABC του CFRP
| CFRP |
Πλαστικό ενισχυμένο με ίνες άνθρακα (ή πολυμερές). Το σύνθετο υλικό αναφέρεται έως ως άνθρακα ή ανθρακονήματα. |
| Cure |
Η διαδικασία εφαρμογής θερμότητας και συχνά πίεσης σε μια δομή CFRP για να «ρυθμιστεί» το ρητίνη και προσφέρετε ακαμψία στο τελειωμένο κομμάτι. |
| Ίνα | Νώρους άνθρακα που υφαίνονται ή πλέκονται μεταξύ τους για να δημιουργήσουν το ενισχυτικό στοιχείο μιας δομής CFRP. Συχνά αποκαλούνται «νημάτια». |
| Mould | Το φυσικό στοιχείο μέσα και γύρω από το οποίο τοποθετούνται φύλλα από ανθρακονήματα για τη δημιουργία του πλαισίου. |
| Ply book | Ουσιαστικά ένα βιβλίο με δοξασμένα μοτίβα ραπτικής. Αυτές περιγράφουν τον τρόπο με τον οποίο κόβεται και συναρμολογείται κάθε μεμονωμένο κομμάτι ανθρακονήματος και είναι τα πιο στενά φυλαγμένα μυστικά. |
| Pre-preg | Φύλλα από νήματα από ανθρακονήματα εμποτισμένα με μη σκληρυνθείσα ρητίνη. |
| Ρητίνη | Ένα υγρό πολυμερές που χρησιμοποιείται για τη συγκόλληση ινών μέσα σε μια δομή CFRP. |
Εσωτερικές γνώσεις
Για να κατανοήσουμε τον ρόλο που έχει η ρητίνη σε ένα τελικό ποδήλατο από ανθρακονήματα, πρέπει να κατανοήσουμε τη διαδικασία κατασκευής και τον τρόπο με τον οποίο η ρητίνη ενσωματώνεται σε αυτό.
Στην ουσία υπάρχουν δύο τύποι κατασκευής από ανθρακονήματα: υγρή και στεγνή. Για υγρή κατασκευή, μια εταιρεία αγοράζει ύφασμα από ανθρακονήματα ήδη εμποτισμένο με ρητίνη, γνωστό ως pre-preg. Αυτά τα κολλώδη φύλλα τοποθετούνται μέσα ή γύρω από ένα καλούπι και στη συνέχεια ωριμάζουν χρησιμοποιώντας θερμότητα και πίεση για να ενσταλάξουν ακαμψία. Η τεχνική παρασκευής έγχυσης ξηρής ρητίνης μπορεί να λάβει δύο διαφορετικές μορφές. Το πρώτο είναι παρόμοιο με τον τρόπο που λαμβάνει χώρα η προπαρασκευή, με κομμένα σχήματα ξηρού υφάσματος τοποθετημένα πάνω σε καλούπι, με τη ρητίνη να προστίθεται ως μέρος της διαδικασίας σκλήρυνσης. Η δεύτερη τεχνική, που χρησιμοποιείται από εταιρείες όπως η Time και η BMC (με τα ποδήλατά της Impec), περιλαμβάνει το τέντωμα μιας συνεχούς σωληνοειδούς δομής που μοιάζει με κάλτσα πάνω από ένα καλούπι σε ένα μόνο μήκος. Από εδώ, η ρητίνη προστίθεται υπό πίεση στα ήδη σχηματισμένα σχήματα.
Η Η Giant είναι η μόνη μάρκα που κατασκευάζει όλα τα δικά της προϊόντα προ-εμποτισμού άνθρακα από το «πηνίο μέχρι το φινίρισμα» – δηλαδή αγοράζει τις ίνες άνθρακα της ως νήμα σε μεγάλα καρούλια, προσθέτει τη δική της ρητίνη και συνεχίζει να κατασκευάζει κουφώματα, ράβδους, στελέχη και αξεσουάρ. Ο Giant, λοιπόν, φαίνεται σαν μια καλή εταιρεία για να ρωτήσετε για τη σημασία των ρητινών.
Ο διευθυντής προϊόντων και εκπαίδευσης στο Ηνωμένο Βασίλειο, David Ward, λέει: «Το νήμα από ανθρακονήματα παραδίδεται απευθείας από την Toray [τον μεγαλύτερο παραγωγό ανθρακονημάτων στον κόσμο] στο δωμάτιο του καρουλιού. Από εκεί περνάει με κλωστή στους αργαλειούς και υφαίνεται σε τεράστια φύλλα από ανθρακονήματα. Μετά την ύφανση προστίθεται η ρητίνη. Η ρητίνη κάθεται σε μια γούρνα πάνω από το συγκρότημα κυλίνδρων και περνά πάνω στο κινούμενο ύφασμα, εφαρμόζεται στα νήματα μέσω κυλίνδρων.» Η διαδικασία είναι απλή και η τεχνική που χρησιμοποιεί η Giant είναι σχεδόν πανομοιότυπη με αυτήν που χρησιμοποιούν όλοι οι κατασκευαστές προ-εμποτισμένη ίνα άνθρακα. Ωστόσο, ενώ μπορεί να είναι απλό στη μηχανική του, η ακρίβεια, η επαναληψιμότητα και ο έλεγχος είναι ζωτικής σημασίας για την ακεραιότητα του τελικού προϊόντος.
«Η ρητίνη πρέπει να ρέει ανάμεσα και να επικαλύπτει τέλεια κάθε νήμα», λέει ο Ward. «Η καλή κατανομή της ρητίνης είναι ζωτικής σημασίας για την απομάκρυνση της καλής προ-εμποτισμού από το τέλος μιας γραμμής παραγωγής.» Ο Dempsey στην Aprire προσθέτει, «Είναι τόσο σημαντικό η ρητίνη να περνάει από τα στρώματα. Εάν κάνετε λάθος τη ρητίνη, έχετε ένα ραγισμένο πλαίσιο. Είναι πραγματικά κρίσιμο.'
Στο χοντρό του
«Επειδή η ρητίνη αποτελεί το 40% ενός Giant πλαισίου μετά τη σκλήρυνση, η ρητίνη είναι ένα πολύ σημαντικό μέρος», λέει ο Ward. «Μόλις θερμοσκληρυνθεί [πολυμεριστεί], είναι η ρητίνη που δίνει στη δομή ακαμψία.» Εκτός από τις βασικές δομικές ιδιότητες, η ρητίνη παίζει έναν άλλο ζωτικό ρόλο. Ο Dempsey λέει, «Πρέπει να μεταφέρεις το άγχος από το ένα μέρος στο άλλο. Είναι ρητίνες που επιτρέπουν τη μεταφορά φορτίων μεταξύ των στρωμάτων των ινών.»
Διαφορετικές ρητίνες θα επηρεάσουν την απόδοση του τελικού προϊόντος. Ο Dempsey λέει, «Αν η ρητίνη είναι πολύ παχύρρευστη, δεν θα περάσει μέσα από τον άνθρακα και καταλήγετε με ίνες να αγγίζουν η μία την άλλη. Ιδανικά θέλετε να τα χωρίσετε ελάχιστα.'
Έπειτα, υπάρχει το θέμα της συμπιεστότητας, το οποίο επηρεάζει το πάχος των δομών άνθρακα. «Διαφορετικά πρόσθετα στη ρητίνη θα επηρεάσουν τη συμπιεστότητα», λέει ο Dempsey.«Μπορείτε να πάρετε διαφορετικό πάχος στρώσης ανάλογα με τα χαρακτηριστικά της ρητίνης. Γενικά, οι φθηνότερες ρητίνες θα είναι πιο παχιές. Με μια καλή ρητίνη, οι ίνες άνθρακα μπορούν να απέχουν πολύ μικρά. Αυτό σας δίνει λεπτότερους τοίχους για τις ίδιες ιδιότητες αντοχής, δηλαδή ένα ελαφρύτερο πλαίσιο. Μια φθηνότερη ρητίνη αφήνει περισσότερο υλικό μεταξύ των ινών και των στρωμάτων.»
Καθώς η Giant κατασκευάζει εντελώς εσωτερικά, κατάφερε να αναπτύξει τις δικές της ρητίνες. Ο Ward λέει, «Βρισκόμαστε στην τρίτη γενιά ανάπτυξης ρητίνης τώρα. Οι μικρότερες λεπτομέρειες της διαδικασίας χύτευσης και σκλήρυνσης οφείλονται στις ιδιότητες της ρητίνης – τη θερμοκρασία στην οποία σβήνει και τον χρόνο που χρειάζεται η σκλήρυνση.» Λόγω του μεγάλου εύρους τιμών των προϊόντων άνθρακα, η Giant χρησιμοποιεί δύο τύπους ρητίνης. «Η τυπική ρητίνη μας χρησιμοποιείται σε όλες τις σειρές προϊόντων εκτός από τα προϊόντα Advanced SL», λέει ο Ward. «Για το Advanced SL, χρησιμοποιούμε ένα πρόσθετο νανοτεχνολογίας. Τα νανοσωματίδια αυξάνουν την αντοχή σε κρούση των πλαισίων μας κατά 18% χωρίς αρνητική επίδραση στην ακαμψία ή το βάρος. Κοστίζουν πολύ περισσότερο όμως.'
Ένα επιπλέον υποπροϊόν των σωματιδίων είναι η βελτιωμένη συμπύκνωση του τοιχώματος κατά τη διάρκεια της σκλήρυνσης. «Τα νανοσωματίδια επιτρέπουν στη ρητίνη να γεμίσει τα μικροκενά στο lay-up. Η ρητίνη πραγματικά ρέει καλύτερα, μειώνοντας την πιθανότητα κενών και μειώνοντας το πάχος του τοιχώματος, προσθέτει ο Ward.
Ο ρόλος μιας ρητίνης στη μείωση των κενών είναι ένα βασικό σημείο στη δομική ακεραιότητα ενός πλαισίου, όπως εξηγεί ο Dempsey. «Τα κενά στη ρητίνη είναι τρύπες που μαζεύουν άγχος», λέει. «Αυτά είναι πιθανά σημεία αστοχίας και τα κενά αποτυγχάνουν με το να διασπώνται καθώς τα στρώματα αποκολλώνται. Μπορείτε ακόμα να αποκτήσετε αποκόλληση χωρίς κενά, αλλά θέλετε να στοχεύσετε σε ελάχιστους θύλακες αέρα στο σύνθετο υλικό.'
Εκτός από τη μεταφορά φορτίου, το πάχος του τοιχώματος και τη στιβαρότητα, οι ρητίνες μπορούν να έχουν επίδραση στην οδήγηση του ποδηλάτου. Ο Dempsey λέει, «Από μια απλή άποψη, μπορείτε να σκεφτείτε τις ρητίνες ως ένα προϊόν τύπου Araldite δύο συσκευασιών με ρητίνη και σκληρυντικό. Η ποσότητα του σκληρυντικού που χρησιμοποιείται με μια δεδομένη ρητίνη μπορεί να έχει ουσιαστική επίδραση στην ποιότητα κύλισης. Για ένα καλό πλαίσιο ποδηλάτου, χρειάζεστε κάποια ελαστικότητα μέσα σε μια σκληρυμένη ρητίνη για να επιτρέψετε τη μεταφορά των τάσεων μεταξύ των στρωμάτων ανθρακονημάτων. Μπορείτε να το αποκτήσετε χρησιμοποιώντας μια ισχυρότερη ρητίνη με λιγότερο σκληρυντικό. Οι έξυπνοι σχεδιαστές μπορούν να αποκτήσουν μια πιο άκαμπτη ή πιο συμβατή δομή για ένα δεδομένο βάρος. Δεν μπορείτε να βασιστείτε σε μια ρητίνη για ακαμψία, αλλά, ως μηχανικός, πρέπει να γνωρίζετε τις πιθανές ιδιότητες που μπορεί να προσθέσει η ρητίνη σε μια τελική δομή.»
Οι ρητίνες είναι σαφώς σημαντικές για την ποιότητα του τελειωμένου πλαισίου, επομένως επιστρέφουμε στο ερώτημα γιατί ακούμε τόσο λίγα για αυτές.
«Το Resin είναι ένας επιτρεπόμενος, όχι ένας οδηγός χαρακτηριστικών», λέει ο Dempsey. «Η ρητίνη μάς επιτρέπει να συνδέουμε τα διαφορετικά στρώματα ανθρακονημάτων – για παράδειγμα T700 με T800 – για να χρησιμοποιήσουμε τις διαφορετικές ιδιότητες που παρουσιάζουν οι ίνες σε εμάς. Είναι δύσκολο να πουληθεί και πολύ δύσκολο να το κάνεις, αλλά ο ρόλος που παίζουν δεν πρέπει να υποτιμηθεί.»
Ο David Ward του Giant το λέει πιο συνοπτικά: «Οι ρητίνες είναι μόνο μια κόλλα. Απλώς δεν είναι σέξι.'
Hat of the moment
Δεδομένου ότι οι περισσότεροι κατασκευαστές ποδηλάτων χρησιμοποιούν άνθρακα προ-εμποτισμού, οι επιλογές τους είναι περιορισμένες όσον αφορά τη χρήση ρητίνης για να επηρεάσουν την απόδοση ενός πλαισίου. Αλλά αυτό δεν εμποδίζει τους ανθρώπους να αναζητούν νέες κατευθύνσεις ή να πιέζουν τις εταιρείες ρητίνης και προεμποτισμού να παράγουν διαφορετικά προϊόντα.
Ο Ο Dempsey λέει, «Εργαζόμαστε για να πείσουμε τους συνεργάτες να παράγουν μια ρητίνη που δεν σβήνει σε θερμοκρασία δωματίου. Ένας περιοριστικός παράγοντας του σχεδιασμού είναι ότι μόλις πάρετε το pre-preg από την ψυχρή του αποθήκευση, αρχίζει να σκληραίνει στον αέρα. Δεν θα βγει ποτέ εντελώς σκληρά έξω από τον φούρνο πολυμερισμού, αλλά θα «σβήσει». Ένα pre-preg που μας επέτρεπε να χρησιμοποιήσουμε μια πιο περίπλοκη διαδικασία lay-up και να αναπτύξουμε το βιβλίο μας στο ply [βλ. γλωσσάρι, αριστερά] στο επίπεδο που θέλουμε, θα μας επέτρεπε να πάρουμε πολύ περισσότερα από το τελικό μας αποτέλεσμα. Αυτό θα ήταν υπέροχο για εμάς.»
Ένας τομέας όπου οι ρητίνες παίζουν τεράστιο ρόλο είναι η κατασκευή τροχών άνθρακα. Εδώ οι ρητίνες είναι το κλειδί, όχι μόνο για τη δομική ακεραιότητα και ακαμψία του τροχού, αλλά και για την απόδοση πέδησης.
Ο Leschik της Lightweight λέει, «Το πιο αδύναμο σημείο μιας ρητίνης είναι η συμπεριφορά της στη θερμοκρασία. Οι περισσότερες ρητίνες έχουν προβλήματα πάνω από 150°C. Τα τελευταία 10 χρόνια έχουμε τριπλασιάσει την αντοχή στη θερμοκρασία των ρητινών μας.»
Σχεδόν κάθε ποδηλάτης θα έχει ακούσει μια ιστορία τρόμου για έναν τροχό άνθρακα που αστοχεί σε μεγάλη κατάβαση λόγω συσσώρευσης θερμότητας, αλλά τι συμβαίνει στην πραγματικότητα όταν τα τακάκια των φρένων συναντούν το χείλος; Ο Leschik λέει, «Τριβολογία είναι η επιστήμη και η μηχανική των αλληλεπιδρώντων επιφανειών σε σχετική κίνηση. Περιλαμβάνει τη μελέτη και εφαρμογή των αρχών της τριβής, της λίπανσης και της φθοράς. Το φρενάρισμα σε ζάντα CFRP με ελαστικά τακάκια φρένων σε βρεγμένες ή στεγνές συνθήκες είναι ένα τέτοιο τριβολογικό σύστημα. Η βελτιστοποίηση αυτού του συστήματος για καλή απόδοση πέδησης δεν είναι δυνατή χωρίς ρητίνες ανθεκτικές σε υψηλές θερμοκρασίες.»
Όπως και με την απόδοση του πλαισίου, είναι τα πρόσθετα στις ρητίνες που αυξάνουν την αντοχή στη θερμότητα και την τιμή. Ένα τέτοιο πρόσθετο είναι ένα κεραμικό πυρίτιο. Ενώ η Aprire δεν κατασκευάζει τροχούς, ο Dempsey κατανοεί τη διαδικασία: «Οι ρητίνες κάνουν τεράστια διαφορά στη δομή της στεφάνης από άνθρακα. Για παράδειγμα, η προσθήκη πυριτίου απομακρύνει σημαντική ποσότητα θερμότητας από το σώμα της κατασκευής και επιτρέπει στη ροή του αέρα να ψύχει το χείλος πολύ καλύτερα από ό,τι με ένα τυπικό χείλος CFRP. Ο χαλκός θα ήταν ένα εξαιρετικό πρόσθετο, καθώς έχει την ικανότητα να αντλεί τεράστιες ποσότητες θερμότητας, αλλά υπάρχει πιθανότητα το θείο να διαρρεύσει στη ρητίνη εάν εισέλθει υγρασία μέσω οποιωνδήποτε μικρορωγμών. Αυτό θα οδηγούσε σε σχεδόν βέβαιη αποκόλληση. Οι ψύκτρες - τα πλέγματα μέσα στη ρητίνη - έχουν μεγάλες δυνατότητες. Αυτή η τεχνολογία μπορεί κάλλιστα να έρθει.»
Το Leschik της Lightweight έχει επίσης τεράστια πίστη στις εξελίξεις της ρητίνης: «Εξετάζουμε τη βελτιστοποίηση των ζαντών πέδησης ζάντας. Με τις έξυπνες ρητίνες είμαστε βέβαιοι ότι μπορούμε να προσφέρουμε στον αναβάτη την ίδια απόδοση φρένων με τους δίσκους χωρίς ούτε ένα επιπλέον γραμμάριο βάρους.»
Η σκληρή αλήθεια
Είναι ξεκάθαρο ότι η ρητίνη είναι ένας αφανής ήρωας της διαδικασίας κατασκευής ποδηλάτων. Μπορεί να επηρεάσει την ακαμψία, τη στιβαρότητα, το βάρος, την ασφάλεια και την τιμή των προϊόντων από ανθρακονήματα, οπότε μπορούμε να περιμένουμε από τους κατασκευαστές να αρχίσουν να σχολιάζουν με κερί τα θαύματα των κολλωδών αντικειμένων τους; Μάλλον όχι, γιατί εξακολουθεί να είναι μόνο ένα μέρος ενός πολύπλοκου συστήματος. Η εξαιρετικής ποιότητας ρητίνη δεν θα αναπληρώσει τις κακής ποιότητας ίνες άνθρακα ή τις ανέμπνευστες τεχνικές κατασκευής. Όπως λέει ο Leschik της Lightweight, «Είναι το ίδιο κάθε φορά: για να μαγειρέψετε ένα ωραίο κέικ χρειάζεστε τα σωστά υλικά στη σωστή αναλογία, καλά φτιαγμένα.»
Carbon jargon: Τι σημαίνουν όλα αυτά;
