Harpiks er den usungne helt, der holder din carbonramme sammen, og den er lige så afgørende for ydeevnen
Spørg de fleste roadiere, hvad deres cykelstel er lavet af, og svaret vil sandsynligvis være 'carbon'. Spørg enhver, der er involveret i at lave cykelstel (eller faktisk andre produkter lavet af dette vævede vidundermateriale), og du vil få et mere komplekst svar.
‘I cykelindustrien hører vi norm alt tale om kulstof, men det er egentlig for forsimplet – en generalisering,” siger Thomas Leschik, chef for ingeniør hos den tyske hjulproducent Lightweight. »Det er faktisk en matrix af kulfibre og epoxyharpiks. Det mere præcise udtryk er CFRP – kulfiberforstærket plast.’
Så vores meget eftertragtede heste er lidt mere end forstærkede plastikcykler. Det er en simpel forkortelse, og går langt for at forklare vigtigheden af harpikser - som er plastik (eller polymer) del af CFRP. I det væsentlige giver harpiksen kompositmaterialet dets stivhed. Som Phil Dempsey fra Aprire, et firma med speciale i kulfibercykler, udtrykker det: 'Kulfiber er rent stof. Alene er det bare et stykke stof.’
Når det kommer til produktbeskrivelser og det medfølgende marketingspil, bliver kulfibermærket eller -typen (f.eks. Toray, T800, 65HM1K, ultrahøjt modul) rutinemæssigt udbasuneret som det grundlæggende træk ved det færdige produkts egenskaber. Det er, som om der ikke er andet på spil, men faktisk udgør fibrene lidt over halvdelen af rammematerialet. Resten er epoxyharpiksen, som helt klart skal spille en vigtig rolle for, hvordan en moderne cykel klarer sig. Hvorfor nævner markedsføringsteksten det så sjældent?
ABC for CFRP
| CFRP |
Kulfiberforstærket plast (eller polymer). Det kompositmateriale, der henvises til til som kulfiber eller kulfiber. |
| Cure |
Processen med at påføre varme og ofte tryk på en CFRP-struktur for at "indstille" harpiks og giver stivhed til det færdige stykke. |
| Fiber | Stenker af carbon, der er vævet eller strikket sammen for at skabe det forstærkende element i en CFRP-struktur. Kaldes ofte 'filamenter'. |
| Mould | Den fysiske komponent i og omkring hvilken kulfiberplader lægges for at skabe rammen. |
| Ply bog | I bund og grund en bog med glorificerede symønstre. Disse beskriver, hvordan hvert enkelt stykke kulfiber skæres og samles, og de er de bedst beskyttede hemmeligheder. |
| Pre-preg | Plader af kulfibertråde imprægneret med uhærdet harpiks. |
| Resin | En flydende polymer, der bruges til at binde fibre sammen i en CFRP-struktur. |
Insiderviden
For at forstå, hvilken rolle harpiks har i en færdig kulfibercykel, skal vi forstå fremstillingsprocessen, og hvordan harpiksen er inkorporeret i den.
I det væsentlige er der to typer kulfiberkonstruktion: våd og tør. Til våd fremstilling køber en virksomhed kulfiberklud allerede imprægneret med harpiks, kendt som pre-preg. Disse klæbrige plader lægges op i eller omkring en form og hærdes derefter ved hjælp af varme og tryk for at indgyde stivhed. Teknikken til fremstilling af tør harpiksinfusion kan antage to forskellige former. Den første ligner den måde, pre-preg-fremstilling foregår på, med afskårne former af tørt klæde lagt over en form, med harpiksen tilsat som en del af hærdningsprocessen. Den anden teknik, der bruges af virksomheder som Time og BMC (med sine Impec-cykler), involverer at strække en kontinuerlig rørformet sok-lignende struktur over en form i en enkelt længde. Herfra tilsættes harpiksen under pres til de allerede dannede former.
Giant er det eneste mærke, der fremstiller alle sine egne carbon pre-preg-produkter fra 'spool to finish' – det vil sige, at de køber sin kulfiber som en tråd på store spoler, tilføjer sin egen harpiks og fortsætter med at fremstille sine rammer, stænger, stilke og tilbehør. Giant virker derfor som et godt firma at spørge om vigtigheden af harpiks.
Dens britiske produkt- og træningschef, David Ward, siger: "Vores kulfiberfilament leveres direkte fra Toray [verdens største kulfiberproducent] til spolerummet. Derfra er det trådet til vævene og vævet til enorme carbon klud. Det er efter vævning, at harpiksen tilsættes. Harpiksen sidder i et trug over valsesamlingen og føres over på det bevægelige klæde, der påføres filamenterne via ruller.« Processen er enkel, og den teknik, som Giant bruger, er stort set identisk med den, der anvendes af alle producenter af pre-preg kulfiber. Men selvom det kan være enkelt i sin mekanik, er nøjagtigheden, repeterbarheden og kontrollen afgørende for det færdige produkts integritet.
'Harpiksen skal flyde mellem og belægge hver enkelt filament perfekt,' siger Ward. "God resinfordeling er afgørende for at få en god pre-preg ud af enden af en produktionslinje." Dempsey hos Aprire tilføjer: "Det er så vigtigt, at harpiksen går gennem lagene. Hvis du tager harpiksen forkert, har du en revnet ramme. Det er virkelig kritisk.'
I det tykke af det
'Fordi harpiks udgør 40 % af en Giant-ramme efter hærdning, er harpiksen en meget vigtig del,' siger Ward.’Når det først er termohærdet [hærdet], er det harpiksen, der giver strukturen stivhed.’ Ud over grundlæggende strukturelle egenskaber spiller harpiks en anden vital rolle. Dempsey siger: 'Du er nødt til at overføre belastninger fra den ene del til den anden. Det er harpikser, der tillader overførsel af belastninger mellem lagene af fibre.'
Forskellige harpikser vil påvirke ydeevnen af det endelige produkt. Dempsey siger: 'Hvis harpiksen er for tyktflydende, løber den ikke gennem kulstoffet, og du ender med at fibre rører hinanden. Ideelt set vil du have dem minutiøst adskilt.'
Så er der spørgsmålet om kompressibilitet, som påvirker tykkelsen af kulstofstrukturer. "Forskellige tilsætningsstoffer i harpiksen vil påvirke kompressibiliteten," siger Dempsey.»Du kan få en anden lagtykkelse afhængig af harpiksens egenskaber. Generelt vil billigere harpikser være tykkere. Med en god harpiks kan kulfibrene være mikrometer fra hinanden. Det giver dig tyndere vægge for de samme styrkekvaliteter, hvilket betyder en lettere ramme. En billigere harpiks efterlader mere materiale mellem fibre og lag.’
Da Giant fremstiller helt internt, har det været i stand til at udvikle sine egne harpikser. Ward siger: 'Vi er på vores tredje generation af harpiksudvikling nu. De mindre detaljer i støbe- og hærdeprocessen er alle ned til harpiksegenskaberne – temperaturen det går af ved, og den tid hærdningen tager.’ På grund af det brede prisinterval på sine kulstofprodukter bruger Giant to typer harpiks. "Vores standardharpiks bruges på alle produktlinjer undtagen Advanced SL-produkterne," siger Ward. »Til Advanced SL bruger vi et nanoteknologisk additiv. Nanopartikler øger vores stels slagfasthed med 18 % uden negativ effekt på stivhed eller vægt. De koster dog meget mere.'
Et yderligere biprodukt af partiklerne er forbedret vægkomprimering under hærdningen. »Nanopartiklerne tillader harpiksen at fylde mikrohulrummene i oplægningen. Harpiksen flyder faktisk bedre, hvilket reducerer potentialet for hulrum og reducerer vægtykkelsen, tilføjer Ward.
En harpiks rolle i tomrumsreduktion er et nøglepunkt i en rammes strukturelle integritet, som Dempsey forklarer. "Tomrum i harpiksen er huller, der vil samle stress," siger han. »Dette er potentielt fejlpunkter, og hulrum svigter ved at blæse fra hinanden, efterhånden som lagene delaminerer. Du kan stadig få delaminering uden hulrum, men du vil gerne sigte efter minimale luftlommer i kompositten.’
Ud over belastningsoverførsel, vægtykkelse og robusthed kan harpikser have en effekt på cykelturen. Dempsey siger: Fra et simpelt synspunkt kan du tænke på harpiks som et to-pack Araldite-stil produkt med en harpiks og en hærder. Mængden af hærderen anvendt med en given harpiks kan have en væsentlig effekt på kørekvaliteten. For en god cykelramme har du brug for en vis flex i en hærdet harpiks for at tillade overførsel af spændinger mellem lagene af kulfiber. Det kan du få ved at bruge en stærkere harpiks med mindre hærder. Smarte designere kan få en stivere eller mere tilpasset struktur for en given vægt. Du kan ikke stole på en harpiks for stivhed, men som ingeniør skal du være opmærksom på de potentielle egenskaber, som harpiksen kan tilføje til en færdig struktur.’
Harpikser er klart vigtige for kvaliteten af den færdige ramme, så vi vender tilbage til spørgsmålet om, hvorfor vi hører så lidt om dem.
'Harpiks er en tilladelse, ikke en funktionsdriver,' siger Dempsey. »Harpiks giver os mulighed for at binde de forskellige lag af kulfiber sammen - for eksempel T700 til T800 - for at bruge de forskellige egenskaber, som fibrene præsenterer for os. Det er svært at sælge og meget svært at spinde, men den rolle, de spiller, skal ikke undervurderes.’
Giant's David Ward udtrykker det mere kortfattet: 'Harpiks er kun en lim. De er bare ikke sexede.'
Øjeblikkets varme
I betragtning af at de fleste cykelproducenter bruger pre-preg carbon, er deres valg begrænset med hensyn til at bruge harpiks til at påvirke ydeevnen af en ramme. Men det forhindrer ikke folk i at lede efter nye retninger eller fra at presse harpiks- og pre-preg-virksomheder til at producere forskellige produkter.
Dempsey siger: 'Vi arbejder på at få partnere til at producere en harpiks, der ikke går af ved stuetemperatur. En begrænsende faktor med design er, at så snart du tager pre-preg fra dets kølerum, begynder det at lufthærde. Det bliver aldrig helt hårdt uden for hærdeovnen, men det vil "slukke". En pre-preg, der gjorde det muligt for os at bruge en mere kompleks oplægningsproces og udvikle vores ply-bog [se ordliste, til venstre] til det niveau, vi ønsker, ville give os mulighed for at få langt mere ud af vores slutresultat. Det ville være geni alt for os.'
Et område, hvor harpiks spiller en stor rolle, er fremstilling af kulstofhjul. Her er harpiks nøglen, ikke kun for hjulets strukturelle integritet og stivhed, men også for bremseevnen.
Lightweights Leschik siger: 'Det svageste punkt ved en harpiks er dens temperaturadfærd. De fleste harpikser har problemer over 150°C. I løbet af de sidste 10 år har vi tredoblet temperaturbestandigheden af vores harpikser.’
Næsten alle cyklister vil have hørt en rædselshistorie om et carbonhjul, der fejler på en lang nedkørsel på grund af varmeopbygning, men hvad sker der egentlig, når bremseklodsen møder fælgen? Leschik siger: 'Tribologi er videnskaben og konstruktionen af interagerende overflader i relativ bevægelse. Det omfatter undersøgelse og anvendelse af principperne for friktion, smøring og slid. Bremsning på en CFRP-fælg med gummibremseklodser under våde eller tørre forhold er et sådant tribologisk system. Optimeringen af dette system til god bremseydelse er ikke mulig uden højtemperaturbestandige harpikser.’
Som med rammeydelsen, er det additiver i harpiksen, der øger varmebestandigheden og til prisen. Et sådant tilsætningsstof er en keramik - silica. Selvom Aprire ikke laver hjul, forstår Dempsey processen: 'Harpiks gør en enorm forskel i en carbonfælgstruktur. For eksempel trækker tilsætning af silica en betydelig mængde varme væk fra strukturens krop og tillader luftstrømmen at afkøle fælgen langt bedre end med en standard CFRP-fælg. Kobber ville være et godt tilsætningsstof, da det har kapacitet til at trække enorme mængder varme, men der er potentiale for, at svovl udvaskes ind i harpiksen, hvis der kommer fugt ind gennem mikrorevner. Dette ville føre til næsten sikker delaminering. Køleplader – masker i harpiksen – har et stort potentiale. Denne teknologi kan meget vel komme.'
Lightweight's Leschik har også stor tiltro til udviklingen af harpiks: 'Vi kigger på optimeringen af de fælgbremse fælge. Med smarte harpikser er vi sikre på, at vi kan give rytteren den samme bremseydelse som skiver uden et enkelt ekstra gram vægt.'
Den hårde sandhed
Det er tydeligt, at harpiks er en ubesunget helt i cykelbyggeprocessen. Det kan påvirke stivheden, robustheden, vægten, sikkerheden og prisen på kulfiberprodukter, så kan vi forvente, at producenter begynder at blive lyriske over vidunderne ved deres klæbrige ting? Sandsynligvis ikke, fordi det stadig kun er en del af et komplekst system. Harpiks af høj kvalitet vil ikke opveje kulfiber af dårlig kvalitet eller uinspirerede byggeteknikker. Som Lightweights Leschik udtrykker det: 'Det er det samme hver gang: For at lave en god kage skal du have de rigtige ingredienser i det rigtige forhold, lavet godt.'
Carbon-jargon: Hvad betyder det hele?
