Deze inhoud wordt u aangeboden door Allied Cycle Works. Meer informatie over ons beleid voor gesponsorde inhoud vindt u hier.Neem elk marketingmateriaal op van een aantal fietsmerken die een frame van koolstofvezel aanbieden en u zult zeker worden overspoeld met vaag jargon over de gebruikte materialen en constructiemethoden. Neem een diepere blik en je zult merken dat zoveel merken eigenlijk praten over soortgelijke dingen, en toch, het eindresultaat is vaak zo gevarieerd.
zoals een chef in een restaurant met een Michelin-ster u zal vertellen, zijn de grondstoffen slechts één aspect van het eindproduct. Geef die identieke ingrediënten aan een andere chef-kok en het resultaat zal zeker een ander zijn. Het is misschien niet erger, maar de smaken, texturen en presentatie zullen allemaal merkbaar variëren. Het gebruik van koolstofvezel om een frame te maken is niet anders, en in deze analogie combineren gedetailleerde engineering, correcte materiaalselectie, lay-upontwerp en productieconsistentie om de imitators van de experts te scheiden, en zelfs de experts van elkaar.
hoe wordt koolstofvezel gebruikt om een frame te maken? Wat zijn de verschillende bouwmethoden? Waarom is de term zelf zo misleidend in de wereld van de wielersport? En als de grondstoffen hetzelfde zijn, waarom presteert het ene frame dan beter dan het andere? Om dit alles en meer te verkennen, kregen we hulp van de in de VS gevestigde Wizards voor koolstofproductie bij Allied Cycle Works (een merk van HIA Velo) en de in Australië gevestigde carbon reparatiespecialist Raoul Luescher van Luescher Teknik, om hun inzichten te krijgen over de zwarte magie van frameproductie.
Wat is koolstofvezel?
voordat we dieper ingaan op hoe een frame tot stand komt, moeten we beginnen met een uitleg van de grondstof. Koolstofvezel begint zijn reis als een polymeer, dat wordt verwerkt door middel van verschillende verhittingstappen in lange snaren koolstofatomen. Deze lange snaren, of filamenten, zitten op ongeveer 5-10 micron in diameter elk, 10-20 keer kleiner dan de gemiddelde menselijke haar.
deze afzonderlijke filamenten worden vervolgens samengevoegd tot een dun lint of tow. Net zoals een draad een touw wordt, dat dan een touw wordt, werken koolstofvezels samen om iets extreem licht en sterk te vormen.
het aantal filamenten dat per trek wordt gebruikt, is een veel voorkomende maatstaf in de wielerwereld, en wordt meestal gemeten in de duizenden. Bijvoorbeeld, een koolstof tow met 3.000 filamenten wordt typisch gegeven de aanduiding van 3K; 6.000 filamenten is 6K, enzovoort.
de werkelijke sterkte en stijfheid van de afzonderlijke vezels kunnen ook variëren, waarbij de stijfheid wordt beschreven als modulus. Een hogere modulus wordt bereikt door het productieproces van filament steeds verder te verfijnen, elk filament steeds verder naar beneden te strippen en het geleidelijk gladder en dunner te maken. Terwijl meer resource-intensieve, deze dunnere filamenten zitten ook strakker samen in een sleep, en verhogen de stijfheid van de sleep in het algemeen. Echter, hogere modulus wordt geassocieerd met verhoogde broosheid, omdat elk filament dunner is.
Modulus is een term die vaak wordt gebruikt in marketingmaterialen, en het belangrijkste om te weten is dat er geen standaardisatie is in de manier waarop modulus wordt beschreven, althans binnen de fietsindustrie: het materiaal van een merk dat beweert “ultra high modulus” te zijn, kan in feite flexibeler zijn dan het koolstofgehalte van een ander merk “low modulus”. Belangrijker nog, het is hoe deze verschillende stijfheid van koolstof wordt toegepast dat het meest belangrijk is, en de beste frames zullen altijd gebruik maken van een mix van moduli.
van koolstof naar composiet
dragers van koolstofvezel zijn op zichzelf nauwelijks bruikbaar, omdat ze in dit stadium slechts droge, buigzame stukjes materiaal zijn. Het is hier dat een van de meer misleidende elementen wordt onthuld. Al het koolstofvezel materiaal dat bij het fietsen wordt gebruikt, moet in enig opzicht worden gebonden, meestal met een tweedelige epoxyhars. Het toevoegen van hars aan koolstofvezel verandert het materiaal in een composiet, of om de meer specifieke technische term te gebruiken, carbon fibre reinforced polymer (CFRP). Omdat het materiaal ook meestal gelaagd is, wordt de composiet ook vaak een laminaat genoemd.
wanneer koolstofvezel extreem sterk en licht is, is hars relatief zwaar en zwak. Het doel van zo ‘ n composiet is om zo weinig mogelijk hars te gebruiken om de koolstofvezel op zijn plaats te houden. Het is hier dat hogere modulus carbon echt schittert, omdat de kleinere spleten tussen filamenten minder hars nodig hebben om te vullen.
sommige fabrikanten zullen de prestatiekenmerken van de afgewerkte structuur variëren door het gebruik van andere vezelsoorten en gewijzigde harsen, zoals samengestelde epoxies die zijn geïnfundeerd met glas of koolstofnanobuizen (microscopische filamenten). Allied Cycle Works maakt gebruik van een versterkend materiaal dat bekend staat als Innegra in zijn frames, terwijl andere materialen zoals aramide bevatten om de slagvastheid van het laminaat te verhogen.
de meeste framefabrikanten bouwen frames met vellen koolstofvezel die vooraf zijn geïmpregneerd met niet – uitgeharde hars-beter bekend als pre – preg-aangebracht op een drager van non-stick papier, en op grote rollen worden geleverd. De hars activeert met warmte, en dus deze pre-preg vellen worden opgeslagen in een vriezer totdat ze nodig zijn. Dit proces zorgt voor een gelijkmatige harsdekking in het hele frame, een grotere eindige controle over de lay-up en een kortere arbeidstijd.
in de meeste gevallen zijn de vezels op deze rollen allemaal unidirectioneel, waarbij alle vezels in één parallelle richting lopen. Deze oriëntatie zorgt voor maximale sterkte en stijfheid in één richting, maar ten koste van minimale sterkte en stijfheid in de orthogonale richting. Als alternatief kunnen de sleeën onder verschillende hoeken worden geweven, vaak in een gekruist patroon, zodat het materiaal in meerdere richtingen even sterk kan zijn.
“unidirectionele (UD) pre-preg is gebruikelijk omdat het hogere specifieke eigenschappen heeft en het gemakkelijker is om een specifieke vezelhoek op te leggen,” zegt Luescher. “is gemakkelijker op te leggen op complexe geometrie locaties en waar de belastingen minder gedefinieerd zijn. Het zorgt ook voor een betere schadetolerantie omdat het minder waarschijnlijk is om te delamineren door de mechanische vergrendeling van de vezels. Geweven stoffen worden vaak gebruikt op locaties in het frame, zoals inzetstukken, trapas schelpen, hoofdbuizen, en overal waar gaten worden geboord voor flessenhouders, kabelgeleiders, enz.”
terwijl prepreg veruit het meest voorkomende materiaal is in de fietsindustrie, beginnen andere bouwmethoden met droge vezels.
wikkelingen van gloeidraad, bijvoorbeeld wikkelingen van vellen of linten van droge koolstofvezel rond een vaste doorn die nominaal cilindrisch van vorm is. Hars wordt aangebracht tijdens het wikkelproces en vervolgens wordt de hele assemblage uitgehard onder warmte en druk.
in een andere methode weeft de tijd zijn eigen koolstofbuizen in eigen huis uit droge koolstof tow – een beetje zoals hoe sokken worden gemaakt. Die droge buis wordt vervolgens vastgezet in een mal, en hars wordt geïnjecteerd onder hoge druk met behulp van een procestijd roept hars Transfer Moulding.
ongeacht de methode die wordt gebruikt om de uiteindelijke vorm van een structuur te vormen, is het aan de ingenieur om ervoor te zorgen dat de juiste soorten koolstofvezel (en harsen) op de juiste plaatsen en in de juiste oriëntaties worden gebruikt voor het beste eindresultaat. Frame ontwerpers moeten wegen een breed scala van parameters, zoals stijfheid Versus broosheid, en gewicht versus duurzaamheid. Slagvastheid, en natuurlijk kosten, moeten ook in de vergelijking. In het algemeen zijn de ontwerpmogelijkheden van een koolstofframe echter wijd open, en als het goed wordt gedaan, kan de levensverwachting van een koolstofframe bijna oneindig zijn.
het ontwerpproces in een notendop
het ontwerpen van een frame is geen snelle prestatie en dus is het onmogelijk om het onderwerp hier recht te doen. Ongeacht frame merk of model, het proces is een uitgebreide en varieert sterk tussen de verschillende merken.
de meeste frames van koolstofvezel hebben een vergelijkbare ontstaansgeschiedenis – het merk bepaalt het doel van het frame en dat er vraag naar is. Immers, als je gaat om uitgebreide middelen te investeren, moet je er zeker van zijn dat je het kunt commercialiseren.
in de volgende stap zouden merken bepalen wat het nieuwe kader moet bereiken. Gezien de rijpheid van koolstofvezel fietsframes op dit punt, is het meestal voortdurende verbetering die verandering drijft, en zelden wordt echte innovatie bereikt. Dit is de reden waarom om de paar jaar zie je een merk update een bestaand model met iteratieve en incrementele verbeteringen, in plaats van groothandel herontwerpen van producten die al vrij verfijnd. Dit is evenzeer het resultaat van het leren van fouten uit het verleden of eerdere ontwerpbeperkingen, als een teken van de voortdurende ontwikkeling in het gebruik van koolstofvezel.
Luescher legt uit dat de vooruitgang in frames van koolstofvezel voornamelijk te danken is aan een meer consistente procesbesturing.
” hoewel er vooruitgang is geboekt op het gebied van vezelsoorten, waar de marketingafdelingen zich vaak op toeleggen, wegen betrouwbare verdichting en vormen zwaarder dan de theoretische voordelen van een verandering van grondstoffen alleen,” zei hij. “De toegenomen uniformiteit van de verdichting heeft geleid tot minder gebreken, consistentere laminaateigenschappen en dus meer structurele prestaties. Door consistentere laminaten te kunnen produceren, zijn structurele modellen beter in staat om de frame lay-up te optimaliseren om lichtere, sterkere en meer vermoeidheidsbestendige frames te produceren die niet zo ‘ n grote veiligheidsfactor vereisen als voorheen vereist was.”