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Recoja cualquier material de marketing de cualquier número de marcas de bicicletas que ofrezcan un cuadro de fibra de carbono y seguramente se verá inundado de jerga vaga sobre los materiales y los métodos de construcción utilizados. Echa un vistazo más profundo y descubrirás que muchas marcas están hablando de cosas similares, y sin embargo, el resultado final a menudo es muy variado.
Como le dirá un chef de un restaurante con estrella Michelin, las materias primas son solo un aspecto del producto final. Dé esos ingredientes idénticos a otro chef y el resultado será sin duda uno diferente. Puede que no sea peor, pero los sabores, texturas y presentación variarán notablemente. El uso de fibra de carbono para hacer un marco no es diferente, y en esta analogía, la ingeniería de detalle, la selección correcta de materiales, el diseño de la bandeja y la consistencia de fabricación se combinan para separar a los imitadores de los expertos, e incluso a los expertos entre sí.
Entonces, ¿cómo se usa exactamente la fibra de carbono para hacer un cuadro? ¿Cuáles son los diferentes métodos de construcción? ¿Por qué el término en sí es tan engañoso en el mundo del ciclismo? Y si las materias primas son las mismas, ¿por qué un marco funciona mejor que otro? Para explorar todo esto y más, contamos con la ayuda de los asistentes de fabricación de carbono con sede en Estados Unidos de Allied Cycle Works (una marca de HIA Velo) y el especialista en reparación de carbono con sede en Australia Raoul Luescher de Luescher Teknik, para obtener sus conocimientos sobre la magia negra de la fabricación de cuadros.
¿Qué es la fibra de carbono?
Antes de profundizar en cómo llega a ser un marco, debemos comenzar con una explicación de la materia prima. La fibra de carbono comienza su viaje como un polímero, que se procesa a través de varios pasos de calentamiento en largas cadenas de átomos de carbono. Estas cuerdas largas, o filamentos, se sientan a aproximadamente 5-10 micras de diámetro cada una, 10-20 veces más pequeñas que el cabello humano promedio.
Estos filamentos individuales se agrupan para formar una cinta delgada, o remolque. Y al igual que un hilo se convierte en una cuerda, que luego se convierte en una cuerda, los filamentos de carbono trabajan juntos para formar algo extremadamente ligero y fuerte.
El número de filamentos utilizados por remolque es una métrica común en el mundo del ciclismo, y generalmente se mide en miles. Por ejemplo, un remolque de carbono con 3.000 filamentos suele recibir la designación de 3K; 6.000 filamentos son 6K, y así sucesivamente.
La resistencia y rigidez reales de las fibras individuales también pueden variar, y la rigidez se describe como módulo. Se logra un módulo más alto refinando cada vez más el proceso de producción de filamentos, pelando cada filamento cada vez más hacia abajo, y haciéndolo progresivamente más suave y delgado. Aunque consumen más recursos, estos filamentos más delgados también se juntan más firmemente en un remolque y aumentan la rigidez del remolque en general. Sin embargo, un módulo más alto se asocia con una mayor fragilidad, ya que cada filamento es más delgado.
Módulo es un término que a menudo se utiliza en los materiales de marketing, y la clave es que no hay estandarización en la forma en que se describe el módulo, al menos dentro de la industria de la bicicleta: el material de «módulo ultra alto» de una marca puede ser más flexible que el carbono de «módulo bajo» de otra marca. Lo que es más importante, es cómo se aplican estas diferentes rigideces de carbono lo que más importa, y los mejores cuadros siempre utilizarán una mezcla de módulos.
De carbono a compuesto
Los remolques de fibra de carbono no son útiles por sí solos, ya que en esta etapa son simplemente trozos de material secos y flexibles. Es aquí donde se revela uno de los elementos más engañosos. Todo el material de fibra de carbono utilizado en el ciclismo debe estar unido en algún aspecto, generalmente con una resina epoxi de dos partes. La adición de resina a la fibra de carbono convierte el material en un compuesto, o para usar el término de ingeniería más específico, polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP). Como el material también suele estar en capas, el compuesto también se conoce como laminado.
Donde la fibra de carbono es extremadamente fuerte y ligera, la resina es comparativamente pesada y débil. El objetivo de un compuesto de este tipo es utilizar la menor cantidad posible de resina para mantener la fibra de carbono en su lugar. Es aquí donde el carbono de mayor módulo realmente brilla, ya que los espacios más pequeños entre filamentos requieren menos resina para llenarse.
Algunos fabricantes variarán las características de rendimiento de la estructura terminada mediante el uso de otros tipos de fibras y resinas modificadas, como epóxidos compuestos infundidos con nanotubos de vidrio o carbono (filamentos microscópicos). Allied Cycle Works utiliza un material de refuerzo conocido como Innegra en sus marcos, mientras que otros incluyen materiales como la aramida para aumentar la resistencia al impacto del laminado.
La mayoría de los fabricantes de marcos construyen marcos con hojas de fibra de carbono preimpregnadas con resina no curada, mejor conocida como pre-preg, aplicada a un soporte de papel antiadherente y enviada en rollos grandes. La resina se activa con calor, por lo que estas láminas pre-pregrabadas se almacenan en un congelador hasta que se necesitan. Este proceso ayuda a garantizar una cobertura uniforme de resina en todo el bastidor, un mayor control finito de la disposición y una reducción del tiempo de trabajo.
En la mayoría de los casos, las fibras de esos rollos son todas unidireccionales, con todas las fibras corriendo en una dirección paralela. Esta orientación proporciona la máxima resistencia y rigidez en una dirección, pero a expensas de la resistencia y rigidez mínimas en la dirección ortogonal. Alternativamente, los remolques se pueden tejer juntos en varios ángulos, a menudo en un patrón cruzado, para que el material pueda ser igualmente fuerte en múltiples direcciones.
«El pre-preg unidireccional (UD) es común porque tiene propiedades específicas más altas y es más fácil colocar un ángulo de fibra específico», dice Luescher. «es más fácil de colocar en ubicaciones de geometría compleja y donde las cargas están menos definidas. También proporciona una mejor tolerancia al daño, ya que es menos probable que se deslamine debido al enclavamiento mecánico de las fibras. Las telas tejidas se utilizan a menudo en lugares a lo largo del marco, como insertos, carcasas de pedalier, tubos de cabeza y donde se perforan orificios para soportes de botellas, guías de cables, etc.»
Mientras que el prepreg es, con mucho, el material más común en la industria del ciclismo, otros métodos de construcción comienzan con fibras secas.
El devanado de filamentos, por ejemplo, envuelve láminas o cintas de fibra de carbono seca alrededor de un mandril sólido de forma nominalmente cilíndrica. La resina se aplica durante el proceso de envoltura, y luego todo el conjunto se cura bajo calor y presión.
En otro método, el tiempo teje internamente sus propios tubos de carbono a partir de remolque de carbono seco, como se hacen los calcetines. Ese tubo seco se fija en un molde y la resina se inyecta a alta presión utilizando un tiempo de proceso llamado Moldeo por transferencia de resina.
Independientemente del método utilizado para formar la forma final de una estructura, depende del ingeniero garantizar que los tipos correctos de fibra de carbono (y resinas) se utilicen en los lugares correctos y en las orientaciones correctas para obtener el mejor resultado final. Los diseñadores de cuadros deben sopesar una amplia gama de parámetros, como rigidez frente a fragilidad y peso frente a durabilidad. La resistencia al impacto y, por supuesto, el costo, también deben tenerse en cuenta en la ecuación. En general, sin embargo, las posibilidades de diseño de un cuadro de carbono son muy abiertas, y cuando se hace bien, la esperanza de vida de un cuadro de carbono puede ser casi infinita.
El proceso de diseño en pocas palabras
Diseñar un marco no es una tarea rápida y, por lo tanto, es imposible hacer justicia al sujeto aquí. Independientemente de la marca o el modelo del cuadro, el proceso es extenso y varía mucho entre las diferentes marcas.
La mayoría de los cuadros de fibra de carbono tienen una génesis similar: la marca define el propósito del cuadro y la demanda que existe. Después de todo, si va a invertir grandes recursos, será mejor que esté seguro de que puede comercializarlo.
El siguiente paso sería ver a las marcas definir lo que el nuevo marco debe lograr. Dada la madurez de los cuadros de bicicleta de fibra de carbono en este punto, generalmente es la mejora continua la que impulsa el cambio, y rara vez se logra una innovación genuina. Esta es la razón por la que cada pocos años ve que una marca actualiza un modelo existente con mejoras iterativas e incrementales, en lugar de rediseños al por mayor de productos que ya están bastante refinados. Esto es tanto el resultado de aprender de errores pasados o limitaciones de diseño anteriores, como un signo del continuo desarrollo en el uso de fibra de carbono.
Luescher explica que el avance en los cuadros de fibra de carbono se debe principalmente a un control de proceso más consistente.
«Aunque ha habido avances en los grados de fibra, que a menudo es el enfoque de los departamentos de marketing, la compactación y el moldeo confiables superan las ganancias teóricas de un solo cambio de materia prima», dijo. «La mayor uniformidad de la compactación ha llevado a la reducción de defectos, propiedades de laminado más consistentes y, por lo tanto, a un mayor rendimiento estructural. Al ser capaces de producir laminados más consistentes, los modelos estructurales son más capaces de optimizar la disposición del bastidor para producir marcos más ligeros, más resistentes y más resistentes a la fatiga que no requieren un factor de seguridad tan grande como se requería anteriormente.»
Según Sam Pickman, director de producto e ingeniería de Allied Cycle Works, el desarrollo digital juega un papel enorme una vez finalizado el concepto inicial.
» Aquí nos sumergimos en el diseño de una manera importante que incluye el análisis de FEA 3D, CFD si es necesario y, lo más importante, cómo lo vamos a hacer. Decidimos si y dónde se dividirá el marco , qué materiales queremos usar, cómo lo formaremos previamente, cómo queremos que se vean las herramientas, etc.»
Los prototipos manejables son caros, y por lo general vienen mucho más tarde en el proceso. Según Pickman, Allied primero utiliza una muestra impresa en 3D de la bicicleta para probar el montaje de los componentes, la estética general y un plan de fabricación.
» Una vez que aclaramos esto, comienza el diseño y la fabricación de herramientas y se crean los manuales de capas. Una vez completadas las herramientas, comenzamos el desarrollo de piezas. Esto es cuando estamos haciendo y rompiendo piezas físicamente. Después de todo el desarrollo digital, estamos bastante seguros, pero generalmente son necesarias algunas revisiones para obtener el rendimiento que necesitamos. Una vez que pasamos las pruebas, comenzamos a montar en las bicicletas y a recopilar comentarios. Al mismo tiempo, comenzamos a capacitar al personal sobre los nuevos procesos. Cuando lo hayamos aclarado todo, lanzaremos una prueba piloto para resolver los problemas.»
Procesos de fabricación
Hay varias maneras de convertir esas materias primas de fibra de carbono y resina en un cuadro de bicicleta. Si bien hay algunos jugadores de nicho con técnicas no convencionales, la gran mayoría de la industria ha adoptado el método monocasco.
Fabricación monocasco
Un término comúnmente utilizado para describir cuadros de bicicleta modernos de fibra de carbono, el diseño monocasco significa que el artículo maneja sus cargas y fuerzas a través de su única piel. En realidad, los verdaderos cuadros de bicicleta de carretera monocasco son extremadamente raros, y la mayoría de lo que se ve en el ciclismo solo cuenta con un triángulo frontal monocasco, con los tirantes y las vainas producidos por separado y luego unidos entre sí. Estos, una vez integrados en un marco completo, se denominan más correctamente una estructura semi-monocasco o monocasco modular. Esta es la técnica utilizada por Allied Cycle Works, y es, con mucho, la más común en la industria de la bicicleta.
Independientemente de si la terminología de la industria es correcta, normalmente en los primeros pasos se ven láminas grandes de carbón pre-preg cortadas en piezas individuales, cada una de las cuales se coloca en una orientación específica dentro de un molde. En el caso de los Trabajos de Ciclo Aliado, la elección específica de carbono, la colocación y la orientación van juntas en un manual de capas, también conocido como horario de colocación. Esto describe específicamente exactamente qué piezas de carbono pre-preg van a dónde dentro del molde. Piense en ello como un rompecabezas, donde cada pieza está numerada.
Los cuadros de fibra de carbono a menudo se perciben como baratos y fáciles de fabricar, pero la realidad es que este proceso de capas consume mucho tiempo y es costoso. De acuerdo con Allied Cycle Works, el cuadro Alfa road utiliza 326 piezas individuales de carbono pre-preg en el cuadro y 170 en la horquilla, todas ellas colocadas cuidadosamente a mano, en una secuencia específica y en múltiples capas, siguiendo el manual de capas del ingeniero.
«La forma en que las capas se colocan en otra ayuda en la forma en que se despliegan en el momento en que la viscosidad de la resina cae», explicó Pickman. «Cuanto más fácil sea deslizar y llenar la herramienta, mejor será la consolidación. El tamaño de preforma solo garantiza que las capas no tengan que moverse mucho para llegar a su forma final. Cuanto más necesitan mudarse, más problemas tendrá, incluidos los problemas de consolidación.»
Hecho para ser específico de modelo y tamaño, el molde dicta la superficie exterior y la forma del marco. Estos moldes se mecanizan típicamente de acero o aluminio, construidos para uso repetido y sin variaciones.
Sin embargo, la superficie exterior es solo una parte de la historia, y el carbono también debe comprimirse desde el interior para garantizar una compactación correcta y que no se creen vacíos (debilidades). Aquí, se utilizan varias técnicas. Las vejigas inflables, que a veces se dejan en el marco, son quizás las más comunes. Otros ejemplos incluyen mandriles de espuma o cera que se pueden derretir; mandriles de silicona flexibles; y a veces incluso mandriles más sólidos, ya sean de plástico o de metal.
El proceso de Allied es bastante común entre las opciones de fotogramas premium y a gran escala. El marco se superpone alrededor de una red de vejigas inflables y preformas semisólidas en un lado de un molde de dos piezas en forma de almeja, y el otro lado del molde se asegura en la parte superior una vez que se completa la colocación.
A partir de aquí, el molde se sella completamente con una bolsa de vacío antes de pasar a la fase de descascarillado. «La eliminación de carga es un proceso entre la colocación y el curado en el que se aplica vacío y algo de calor a la pieza y se extrae la mayor cantidad de aire posible antes del curado», explicó Pickman.
En el caso de Allied, el molde se retira de la bolsa de vacío y se coloca en una prensa calentada. Una vez más, el marco interior se calienta para permitir el flujo de resina, mientras que las vejigas internas se presurizan para dar la seguridad final de que se logra una compactación correcta del material. Este proceso de curado aumenta la presión interna de forma incremental con el objetivo de empujar las capas a las partes más externas del molde. Tanto esto como el de-abultamiento trabajan juntos para ayudar a eliminar los vacíos de aire, los pliegues de la fibra u otros posibles elevadores de tensión en el material, al tiempo que eliminan el exceso de resina.
Después del curado, el marco se extrae de su molde y se retiran las vejigas de aire internas y las preformas. Los tirantes, los tirantes y las vainas se unen al triángulo delantero. Esas uniones están envueltas con tiras adicionales de fibra de carbono para proporcionar un soporte estructural adicional y un acabado superficial sin costuras, y todo ese conjunto se realiza en una plantilla para garantizar una alineación perfecta.
Ahora como un marco, el siguiente paso es lijar y preparar la pintura. Un arduo proceso de detalles finos garantiza que no se vean el exceso de resina ni las marcas del molde. En particular, los fabricantes prestarán mucha atención a las juntas de unión, que a menudo requieren el mayor tratamiento del ensamblaje del bastidor.
En este mismo punto, se realizan perforaciones para las jaulas para botellas de agua, el soporte del desviador delantero y los sistemas de gestión de cables. Con una mezcla de remaches (remaches roscados), remaches y epoxi que se suelen usar para fijar permanentemente los artículos, se agregan cuidadosamente a áreas que ya se han reforzado en preparación durante la etapa de colocación.
En total, se dice que la creación de un solo bastidor Alfa Aliado, que se produce íntegramente en casa en los EE.UU., lleva aproximadamente 24 horas de trabajo.
«En el tiempo real, una bicicleta tarda unos 10 días en atravesar el edificio», afirma Pickman.
Cuando se hace bien, el diseño monocasco produce un producto increíblemente fuerte y ligero, todo con una superposición mínima de materiales. Es por esta razón, además de la forma en que las propiedades mecánicas de la fibra de carbono se pueden controlar tan cuidadosamente, que la fabricación monocasco es la mejor opción para construir un cuadro con la mayor relación rigidez / peso. Si nos fijamos en las bicicletas utilizadas en el WorldTour, por ejemplo, todas, excepto la Colnago C60 del equipo Emirates de los Emiratos Árabes Unidos, utilizan una técnica de fabricación monocasco modular.
La fabricación monocasco no está exenta de algunas desventajas, sin embargo, principalmente relacionadas con la accesibilidad y el costo.
En primer lugar, como se detalla anteriormente, este método es extremadamente intensivo en mano de obra. Incluso una fábrica bien dotada de personal y eficiente, como la de Allied, tarda un tiempo relativamente largo en producir un marco. Esta es una de las razones clave por las que la mayoría de las bicicletas de fibra de carbono del mundo se fabrican en Asia: cuando la mano de obra representa la mayor parte del costo de fabricación, tiene sentido minimizar sus costos de mano de obra tanto como sea posible.
En segundo lugar, se deben crear moldes específicos para cada diseño de marco, y dentro de eso, cada tamaño de marco también requiere su propio molde. Teniendo en cuenta cómo algunos fabricantes ofrecen 12 tamaños, o incluso múltiples geometrías para cada tamaño, es fácil ver el gasto inherente en este proceso. Según Pickman, la inversión en moldeo de Allied para un nuevo diseño de bastidor y horquilla en un rango de tamaño completo, que incluye herramientas específicas acompañantes, cuesta alrededor de US 1 160,000.
Para superar esto, muchos fabricantes trabajan en un ciclo de vida de dos o tres años para un diseño de cuadro de carbono, con el fin de recuperar los costos durante un período prolongado. Es una de las razones principales por las que no ves a gente como Giant o Specialized que sale con un nuevo modelo de cuadro cada año.
Con tales costos de herramientas, las marcas y fabricantes más pequeños tienen dificultades para justificar los recursos cuando no hay cantidades de producción para respaldar la inversión. En muchos casos, esto es lo que lleva a que moldes genéricos o de código abierto sean utilizados por marcas más pequeñas o de descuento.
Tubo a tubo
Los fabricantes de boutique que se especializan en geometrías, ajustes y capas personalizadas encuentran extremadamente difícil producir diseños monocasco a un precio comercializable, por lo que a menudo recurren a otro método de fabricación de marcos llamado tubo a tubo. En concepto, no es tan diferente de cómo se fabrican los marcos de acero soldado, titanio y aluminio.
En este proceso, cada tubo de marco de carbono se produce por separado y, a veces, se obtiene directamente de un fabricante de tubos de carbono. Este método proporciona una barrera de entrada más baja para que los constructores tengan control sobre la geometría, la rigidez y la calidad de conducción de un cuadro. La selección de tubos dicta las propiedades de rendimiento que busca un constructor de marcos, y la longitud de tubo personalizada dicta la geometría.
Con los tubos seleccionados y cortados a medida, están ingleteados para que se adapten a la perfección entre sí. A continuación, se utiliza una plantilla a medida que los tubos se unen para crear un marco. Los constructores a menudo epoxi los tubos juntos, y luego usan láminas precortadas y pre-pre-pre-pre para envolver los tubos juntos y reforzar las juntas.
Algunos métodos más avanzados verán el marco y luego lo colocarán en una bolsa de vacío o incluso en un molde rígido o flexible para ayudar con la compactación, mientras que otros se moverán directamente a la preparación final una vez que la resina se cure.
Este método es popular para marcos de geometría personalizados, ya que permite una amplia gama de control en ángulos y longitudes de tubo específicos. Sin embargo, es un proceso que requiere un enfoque experto para garantizar la seguridad a largo plazo. Además, habrá más superposición de material redundante en este método que lo que es posible con la técnica monocasco.
Carbono con tacos
Al igual que el método tubo a tubo, los marcos de carbono con tacos ven tubos singulares unidos pieza por pieza para crear un marco. Sin embargo, cuando las juntas de tubo a tubo están envueltas individualmente, los bastidores de carbono con tacos utilizan más un proceso plug-and-play donde los tubos ingleteados se unen en tacos preformados, de nuevo, al igual que sus análogos metálicos.
A menudo, las asas de los cuadros de carbono modernos también son de carbono, como en el Colnago C60, pero este no siempre es el caso. Al igual que el tubo a tubo, la construcción con tacos proporciona una flexibilidad generosa en términos de geometría del cuadro, rigidez del cuadro y calidad de conducción, con las posibilidades limitadas solo por los tacos disponibles.
Uno de los ejemplos más recientes de alta tecnología es Bastion, de Melbourne, Australia, que utiliza terminales de titanio impresos en 3D para un control personalizado completo con cada pedido. La Teammachine original de BMC, como la montada por Tyler Hamilton en Phonak, usaba tacos de aluminio con tubos de carbono, y mucho antes de eso, Trek fue pionera en la producción en masa de la tecnología con su cuadro de carretera 2300.
Sin embargo, al igual que con la construcción de tubo a tubo, los marcos con tacos presentan inherentemente más superposición de material que los monocasco, y por lo tanto devuelven una relación rigidez / peso más baja.
Control de calidad y pruebas
Lo que no es obvio son los pasos que algunos fabricantes toman a lo largo del camino para asegurarse de que los cuadros terminados realmente cumplan con la intención del diseño, y, en otras palabras, sean seguros para conducir.
Si bien existen algunos estándares de la industria en esta área, como las certificaciones CEN e ISO, lo que hace Allied Cycle Works, y la mayoría de las otras marcas importantes, podría considerarse las prácticas más comunes. Además de las inspecciones visuales frecuentes, las piezas y subconjuntos individuales se pesan individualmente para garantizar que se ha infundido la cantidad adecuada de resina en cada componente. Gracias en parte a los volúmenes de producción más pequeños de Allied, las materias primas también se rastrean.
El proveedor alemán de marcos Canyon llega incluso a inspeccionar horquillas y marcos con una máquina de rayos X, que proporciona una forma más detallada y no destructiva de examinar piezas compuestas acabadas.
Un marco terminado
Dicho y hecho, crear un marco de carbono es un proceso que consume mucho tiempo y que sigue siendo sorprendentemente práctico. Para un material con tanta versatilidad en su uso, no hay duda de que el diablo está en los detalles, especialmente cuando se trata de crear algo que sea igualmente ligero, resistente, compatible y seguro.
Desde lejos, no ha cambiado mucho en la fabricación de bicicletas de carbono a lo largo de los años. Sin embargo, mire más a fondo y verá que la comprensión más fina de la aplicación del material y el control de calidad mejorado han llevado a un producto que es superior a lo que estaba disponible en años anteriores. No importa la forma estética que tome un cuadro, es seguro decir que el verdadero rendimiento de la fibra de carbono se encuentra muy por debajo de la superficie.
