este conteúdo é trazido a você pela Allied Cycle Works. Saiba mais sobre nossas Políticas de conteúdo patrocinado aqui.
Pegue qualquer material de marketing de qualquer número de marcas de bicicletas que oferecem uma estrutura de fibra de carbono e você certamente será inundado com um jargão vago sobre os materiais e métodos de construção usados. Dê uma olhada mais profunda e você descobrirá que muitas marcas estão realmente falando sobre coisas semelhantes e, no entanto, o resultado final costuma ser tão variado.
assim como um chef de um restaurante com estrela Michelin lhe dirá, os ingredientes crus são apenas um único aspecto do produto final. Dê esses ingredientes idênticos a outro chef e o resultado certamente será diferente. Pode não ser pior, mas os sabores, texturas e apresentação variam visivelmente. Usar fibra de carbono para fazer uma moldura não é diferente e, nessa analogia, engenharia detalhada, seleção correta de materiais, design de camadas e consistência de fabricação se combinam para separar os imitadores dos especialistas e até mesmo os especialistas uns dos outros.
então, como exatamente a fibra de carbono é usada para fazer um quadro? Quais são os diferentes métodos de construção? Por que o termo em si é tão enganoso no mundo do ciclismo? E se as matérias-primas são as mesmas, por que um quadro tem um desempenho melhor do que outro? Para explorar tudo isso e muito mais, recebemos ajuda dos assistentes de fabricação de carbono dos EUA na Allied Cycle Works (uma marca da Hia Velo) e do especialista Australiano em Reparo De Carbono Raoul Luescher da Luescher Teknik, para obter suas idéias sobre a magia negra da fabricação de quadros.
o que é fibra de carbono?
Antes de se aprofundar sobre como um quadro vem a ser, devemos começar com uma explicação da matéria-prima. A fibra de carbono começa sua jornada como um polímero, que é processado através de várias etapas de aquecimento em longas cadeias de átomos de carbono. Essas cordas longas, ou filamentos, têm cerca de 5 a 10 mícrons de diâmetro cada, 10 a 20 vezes menores que o cabelo humano médio.
esses filamentos individuais são então agrupados para formar uma fita fina ou reboque. E assim como um fio se torna uma corda, que então se torna uma corda, os filamentos de carbono trabalham juntos para formar algo extremamente leve e forte.
o número de filamentos usados por reboque é uma métrica comum no mundo do ciclismo e é normalmente medido aos milhares. Por exemplo, um reboque de carbono com 3.000 filamentos normalmente recebe a designação de 3K; 6.000 filamentos são 6K e assim por diante.
a força real e a rigidez das fibras individuais também podem variar, com a rigidez sendo descrita como módulo. O módulo mais alto é conseguido refinando cada vez mais o processo de produção do filamento, descascando cada filamento cada vez mais para baixo, e progressivamente tornando-o mais liso e mais fino. Embora mais intensivos em recursos, esses filamentos mais finos também ficam mais bem juntos em um reboque e aumentam a rigidez do reboque em geral. No entanto, um módulo mais alto está associado ao aumento da fragilidade, uma vez que cada filamento é mais fino.Módulo é um termo frequentemente jogado em materiais de marketing, e a coisa chave a saber é que não há padronização em como o módulo é descrito, pelo menos dentro da indústria de bicicletas: o material reivindicado de uma marca “módulo ultra alto” pode realmente ser mais flexível do que o carbono de “baixo módulo” de outra marca. Mais importante ainda, é como essas diferentes rigidez de carbono são aplicadas que importam mais, e os melhores quadros sempre usarão uma mistura de módulos.
do carbono ao composto
os rebocadores de fibra de carbono dificilmente são úteis por si mesmos, pois nesta fase são apenas pedaços secos e flexíveis de material. É aqui que um dos elementos mais enganosos é revelado. Todo o material de fibra de carbono usado no ciclismo deve ser ligado em algum aspecto, geralmente com uma resina epóxi de duas partes. A adição de resina à fibra de carbono transforma o material em um composto, ou para usar o termo de engenharia mais específico, polímero reforçado com fibra de carbono (CFRP). Como o material também é geralmente em camadas, o composto também é chamado de laminado.
onde a fibra de carbono é extremamente forte e leve, a resina é comparativamente pesada e fraca. O objetivo com tal composto é usar o mínimo de resina possível para manter a fibra de carbono no lugar. É aqui que o carbono de módulo superior realmente brilha, uma vez que as lacunas menores entre os filamentos exigem menos resina para preencher.
alguns fabricantes irão variar as características de desempenho da estrutura acabada através do uso de outros tipos de fibras e resinas modificadas, como epóxis compostos infundidos com nanotubos de vidro ou carbono (filamentos microscópicos). A Allied Cycle Works usa um material de reforço conhecido como Innegra em seus quadros, enquanto outros são conhecidos por incluir materiais como aramida para aumentar a resistência ao impacto do laminado.
a maioria dos fabricantes de quadros constrói quadros com folhas de fibra de carbono que são pré-impregnadas com resina não curada – mais conhecidas como pré-preg – aplicadas a um suporte de papel antiaderente e enviadas em rolos grandes. A resina é ativada com calor e, portanto, essas folhas pré-preg são armazenadas em um freezer até serem necessárias. Este processo ajuda a assegurar mesmo a cobertura da resina durante todo o quadro, o maior controle finito sobre o lay-up, e o tempo de trabalho reduzido.
na maioria dos casos, as fibras nesses rolos são todas unidirecionais, com todas as fibras funcionando em uma direção paralela. Essa orientação fornece força e rigidez máximas em uma direção, mas à custa de força e rigidez mínimas na direção ortogonal. Alternativamente, os rebocadores podem ser tecidos juntos em vários ângulos, muitas vezes em um padrão cruzado, de modo que o material possa ser igualmente forte em várias direções.
“o pré-preg unidirecional (UD) é comum porque tem propriedades específicas mais altas e é mais fácil de colocar um ângulo de fibra específico”, diz Luescher. “é mais fácil de colocar em locais de geometria complexa e onde as cargas são menos definidas. Igualmente fornece a melhor tolerância de dano porque é menos provável delaminate devido ao bloqueio mecânico das fibras. As telas tecidas são usadas frequentemente em lugar durante todo o quadro tal como inserções, escudos do suporte inferior, tubos principais, e onde quer que os furos são perfurados para montagens da garrafa, guias do cabo, etc.”
embora o prepreg seja de longe o material mais comum na indústria do ciclismo, outros métodos de construção começam com fibras secas.
o enrolamento de filamentos, por exemplo, envolve folhas ou fitas de fibra de Carbono seca em torno de um mandril sólido de forma nominalmente cilíndrica. A resina é aplicada durante o processo de embalagem e, em seguida, toda a montagem é curada sob calor e pressão.
em outro método, o tempo tece seus próprios tubos de carbono internamente a partir de reboque de carbono seco-mais ou menos como as meias são feitas. Esse tubo seco é então fixado em um molde, e a resina é injetada sob alta pressão usando um tempo de processo que chama de moldagem por transferência de resina.Independentemente do método usado para formar a forma final de uma estrutura, cabe ao engenheiro garantir que os tipos certos de fibra de carbono (e resinas) sejam usados nos lugares certos e nas orientações certas para o melhor resultado final. Os projetistas de quadros precisam pesar uma ampla gama de parâmetros, como rigidez vs. fragilidade e peso vs. durabilidade. A resistência ao impacto e, claro, o custo também devem ser considerados na equação. Em geral, porém, as possibilidades de design de uma estrutura de carbono estão bem abertas e, quando feitas corretamente, a expectativa de vida de uma estrutura de carbono pode ser quase infinita.
o processo de design em poucas palavras
projetar um quadro não é um feito rápido e, portanto, é impossível fazer justiça ao assunto aqui. Independentemente da marca ou modelo do quadro, o processo é extenso e varia muito entre as diferentes marcas.
a maioria dos quadros de fibra de carbono tem uma gênese semelhante-a marca define o propósito do quadro e que há demanda por ele. Afinal, se você vai investir recursos extensos, é melhor ter certeza de que pode comercializá-lo.
o próximo passo veria as marcas definirem o que o novo quadro precisa alcançar. Dada a maturidade dos quadros de bicicleta de fibra de carbono neste momento, geralmente é a melhoria contínua que impulsiona a mudança e raramente é alcançada uma inovação genuína. É por isso que a cada poucos anos você vê uma marca atualizar um modelo existente com melhorias iterativas e incrementais, em vez de redesenhar por atacado de produtos que já são bastante refinados. Isso é tanto o resultado de aprender com erros passados ou limitações de design anteriores, como é um sinal do desenvolvimento contínuo no uso de fibra de carbono.
Luescher explica que o avanço nos quadros de fibra de carbono se resume principalmente a um controle de processo mais consistente.”Embora tenha havido avanços nos graus de fibra, que muitas vezes é o foco dos departamentos de marketing, compactação confiável e moldagem superam os ganhos teóricos de uma mudança de matéria-prima sozinha”, disse ele. “O aumento da uniformidade da compactação levou a falhas reduzidas, propriedades laminadas mais consistentes e, portanto, aumento do desempenho estrutural. Ao serem capazes de produzir laminados mais consistentes, os modelos estruturais são mais capazes de otimizar a configuração da estrutura para produzir quadros mais leves, mais fortes e mais resistentes à fadiga que não exigem um fator de segurança tão grande quanto o necessário anteriormente.”
“aqui mergulhamos no design de uma maneira importante, incluindo a análise 3D FEA, CFD, se necessário, e o mais importante, como vamos fazê-lo. Decidimos se e onde o quadro será dividido, quais materiais queremos usar, como vamos pré-formá-lo, como queremos que o ferramental se pareça, etc.”Protótipos Rideable são caros, e normalmente vêm muito mais tarde no processo. De acordo com Pickman, a Allied primeiro usa uma amostra impressa em 3D da bicicleta para testar a montagem do componente, a estética geral e um plano de fabricação.
“depois de limpar isso, o design e a fabricação de ferramentas começam e os manuais de dobra são criados. Uma vez que as ferramentas são concluídas, começamos o desenvolvimento de peças. É quando estamos fisicamente fazendo e quebrando partes. Depois de todo o desenvolvimento digital, estamos bastante confiantes, mas algumas revisões geralmente são necessárias para obter o desempenho de que precisamos. Depois de passar nos testes, começamos a andar de bicicleta e a coletar feedback. Ao mesmo tempo, começamos a treinar a equipe sobre os novos processos. Quando limpamos tudo, lançamos uma corrida piloto para resolver as torções.”
processos de fabricação
existem várias maneiras de transformar esses ingredientes crus de fibra de carbono e resina em uma estrutura de bicicleta. Embora existam alguns players de nicho com técnicas não convencionais, a grande maioria da indústria adotou o método monocoque.
fabricação Monocoque
um termo comumente usado para descrever quadros modernos de bicicleta de fibra de carbono, design monocoque efetivamente significa que o item lida com suas cargas e forças através de sua única pele. Na realidade, os verdadeiros quadros monocoque de bicicleta de estrada são extremamente raros, e a maioria do que é visto no ciclismo apresenta apenas um triângulo dianteiro monocoque, com os bancos e chainstays produzidos separadamente e posteriormente ligados. Estes, uma vez construídos em uma estrutura completa, são mais corretamente chamados de estrutura semi-monocoque, ou monocoque modular. Esta é a técnica usada pela Allied Cycle Works, e é de longe a mais comum na indústria de bicicletas.
independentemente de a terminologia da indústria estar correta, normalmente os primeiros passos veem grandes folhas de carbono pré-preg cortadas em pedaços individuais, cada uma das quais colocada em uma orientação específica dentro de um molde. No caso de Trabalhos de ciclo aliados, a escolha específica de carbono, a configuração e a orientação andam juntas em um manual de dobras, também conhecido como cronograma de camadas. Isso descreve especificamente quais pedaços de carbono pré-preg vão para onde dentro do molde. Pense nisso como um quebra-cabeça, onde cada peça é numerada.
as armações de fibra de carbono são frequentemente percebidas como baratas e fáceis de fabricar, mas a realidade é que esse processo de estratificação é extremamente demorado e caro. De acordo com a Allied Cycle Works, o conjunto de quadros Alfa road usa 326 peças de peças individuais de carbono pré-preg no quadro e 170 no garfo, todas cuidadosamente colocadas à mão, em uma sequência específica e em várias camadas, seguindo o manual do engenheiro.
“a maneira como as camadas se deitam a outra ajuda na forma como elas se desfazem no momento em que a viscosidade da resina cai”, explicou Pickman. “Quanto mais fácil eles podem deslizar e preencher a ferramenta, melhor consolidação você obtém. O tamanho da pré-forma é apenas garantir que as camadas não precisem se mover muito para chegar à sua forma final. Quanto mais eles precisam se mover, mais problemas você obtém, incluindo problemas de consolidação.”
feito para ser modelo-e tamanho-específico, o molde dita a superfície exterior e a forma do quadro. Esses moldes são normalmente usinados de aço ou alumínio, construídos para uso repetido e sem variação.
no entanto, a superfície externa é apenas uma parte da história, e o carbono também deve ser comprimido por dentro para garantir a compactação correta e que nenhum vazio (pontos fracos) seja criado. Aqui, várias técnicas são usadas. As bexigas infláveis, que às vezes são deixadas no quadro, são talvez as mais comuns. Outros exemplos incluem mandris de espuma ou cera que podem ser derretidos; mandris de silício flexíveis; e às vezes mandris ainda mais sólidos, sejam eles de plástico ou metal.
o processo da Allied é bastante comum entre as opções de quadros premium e em grande escala. O quadro é mergulhado acima em torno de uma rede de bexigas infláveis e de pre-formulários semi-contínuos em um lado de um molde de duas partes, clamshell-like, e o outro lado do molde é fixado na parte superior uma vez que o lay-up está completo.
a partir daqui, o molde é completamente selado com um saco de vácuo antes de ser movido para a fase de desengorduramento. “De-bulking é um processo entre lay-up e cura onde você aplicar vácuo e um pouco de calor para a parte e retirar o máximo de ar possível antes de curar”, explicou Pickman.
no caso da Allied, o molde é então removido do saco de vácuo e colocado em uma prensa aquecida. Novamente, o quadro interno é aquecido para permitir o fluxo de resina, enquanto as bexigas internas são pressurizadas para dar a garantia final de que a compactação correta do material é alcançada. Este processo de cura aumenta a pressão interna incrementalmente com o objetivo de empurrar as dobras para as partes mais externas do molde. Tanto este quanto o desengorduramento trabalham juntos para ajudar a eliminar vazios de ar, vincos de fibra ou outros potenciais riscos de estresse no material – tudo isso enquanto remove o excesso de resina.
após a cura, a estrutura é extraída de seu molde e as bexigas de ar internas e pré-formas são removidas. Os dropouts, seatstays e chainstays são então ligados ao triângulo dianteiro. Essas ligações são sobrepostas com tiras adicionais de fibra de carbono para fornecer suporte estrutural extra e acabamento de superfície sem costura, e todo esse conjunto é realizado em um gabarito para garantir um alinhamento perfeito.
agora parecendo uma moldura, o próximo passo é lixar e pintar. Um árduo processo de detalhamento fino garante que nenhum excesso de resina ou marcas do molde sejam visíveis. Em particular, os fabricantes prestarão muita atenção às juntas de ligação, que muitas vezes exigem mais tratamento da montagem da estrutura.
neste mesmo ponto, ocorrem perfurações para gaiolas de garrafas de água, a montagem do desviador dianteiro e os sistemas de gerenciamento de cabos. Com uma mistura de rivnuts (rebites roscados), rebites e epóxi normalmente usados para fixar permanentemente os itens, estes são cuidadosamente adicionados a áreas que já foram reforçadas na preparação durante o estágio de lay-up.
tudo em, a criação de um único quadro Alfa aliado, que é totalmente produzido internamente nos EUA, é dito que leva aproximadamente 24 horas de trabalho.
“em tempo real, leva cerca de 10 dias para uma bicicleta passar pelo prédio”, afirma Pickman.
quando feito corretamente, o design monocoque produz um produto incrivelmente forte e leve, todos com sobreposição mínima de materiais. É por esse motivo, além da maneira como as propriedades mecânicas da fibra de carbono podem ser tão cuidadosamente controladas, que a fabricação monocoque é a escolha superior para construir uma estrutura com a maior rigidez à relação peso. Se você olhar para as bicicletas usadas no Mundotour, por exemplo, todos, exceto o Colnago C60 da equipe dos Emirados Árabes Unidos, usam uma técnica de fabricação modular-monocoque.
a fabricação Monocoque não apresenta algumas desvantagens, porém, principalmente relacionadas à acessibilidade e ao custo.
Em Primeiro Lugar, como detalhado acima, este método é extremamente trabalhoso. Mesmo uma fábrica bem equipada e eficiente, como a Allied’s, leva um tempo relativamente longo para produzir um quadro. Esta é uma das principais razões pelas quais a maioria das bicicletas de fibra de carbono do mundo são feitas na Ásia – quando o trabalho compreende a maior parte do custo de fabricação, faz sentido minimizar seus custos de mão-de-obra o máximo possível.
em segundo lugar, moldes específicos precisam ser criados para cada projeto do quadro, e dentro disso, cada tamanho do quadro requer seu próprio molde também. Considerando como alguns fabricantes oferecem 12 tamanhos, ou mesmo várias geometrias para cada tamanho, é fácil ver a despesa inerente a este processo. De acordo com Pickman, o investimento de moldagem da Allied para um novo design de estrutura e garfo em uma faixa de tamanho completo, incluindo ferramentas específicas de acompanhamento, custa cerca de US$160.000.Para superar isso, muitos fabricantes trabalham em um ciclo de vida de dois ou três anos para um projeto de estrutura de carbono, a fim de recuperar custos por um longo período. É uma das principais razões pelas quais você não vê gigantes ou especializados saindo com um novo modelo de quadro todos os anos.
com esses custos de ferramentas, marcas e fabricantes menores têm dificuldade em justificar os recursos quando não há quantidades de produção para fazer backup do investimento. Em muitos casos, isso é o que leva a moldes de código aberto ou genéricos sendo usados por marcas menores ou com desconto.
Tubo para tubo
os fabricantes Boutique especializados em geometrias personalizadas, ajustes e lay-ups acham extremamente difícil produzir projetos monocoque a um preço comercializável, por isso muitas vezes recorrem a outro método de fabricação de quadros chamado tubo a tubo. Em conceito, não é tão diferente de como os quadros de aço, titânio e alumínio soldados são feitos.
neste processo, cada tubo de estrutura de carbono é produzido separadamente e, às vezes, proveniente diretamente de um fabricante de tubo de carbono. Este método dá uma barreira mais baixa à entrada para que os construtores tenham o controle sobre a geometria, a rigidez, e a qualidade do passeio de um quadro. A seleção de tubos determina as propriedades de desempenho que um construtor de quadros procura, e o comprimento do tubo personalizado determina a geometria.
com os tubos selecionados e cortados no comprimento, eles são mitrados de modo a se encaixarem perfeitamente uns com os outros. Em seguida, um gabarito é usado como os tubos são unidos para criar um quadro. Construtores muitas vezes epóxi os tubos juntos, e, em seguida, usar Pré-corte, pré-preg folhas para embrulhar os tubos juntos e reforçar as juntas.
alguns métodos mais avançados verão o quadro posto então em um saco de vácuo ou mesmo em um molde rígido ou flexível para ajudar com a consolidação, quando outro mover-se-ão em linha reta à preparação final uma vez que a resina cura.
este método é popular para quadros de geometria personalizados, pois permite uma ampla gama de controle em ângulos específicos e comprimentos de tubo. No entanto, é um processo que requer uma abordagem qualificada para garantir a segurança a longo prazo. Além disso, haverá mais sobreposição de material redundante neste método do que o possível com a técnica monocoque.
carbono Lugged
muito parecido com o método tubo-tubo, quadros de carbono lugged vê tubos singulares Unidos peça por peça para criar um quadro. No entanto, onde as juntas tubo-a-tubo são embaladas individualmente, as armações de carbono lugged usam mais um processo plug-and-play em que os tubos mitrados são colados em talões pré-formados – novamente, assim como seus análogos metálicos.
muitas vezes, os terminais dos quadros de carbono modernos também são de carbono, como no Colnago C60, mas nem sempre é o caso. Como o tubo-à-tubo, a construção lugged fornece a flexibilidade generosa em termos da geometria do quadro, da rigidez do quadro, e da qualidade do passeio, com as possibilidades limitadas somente por que talões estão disponíveis.
um dos exemplos mais recentes de alta tecnologia é Bastion, fora de Melbourne, Austrália, que usam talões de titânio impressos em 3D para controle personalizado completo com cada pedido. A máquina de equipe BMC original, como a montada por Tyler Hamilton na Phonak, usava terminais de alumínio com tubos de carbono e, muito antes disso, a Trek foi pioneira na produção em massa da tecnologia com seu quadro de estrada 2300.
assim como com a construção Tubo-Tubo, no entanto, os quadros lugged apresentam inerentemente mais sobreposição de material do que os monocoque e, portanto, retornam uma menor relação rigidez-peso.
controle e teste de qualidade
o que não é óbvio são os passos que alguns fabricantes tomam ao longo do caminho para garantir que os quadros acabados realmente atendam à intenção de design – e, em outras palavras, são seguros para andar.Embora existam alguns padrões da indústria nessa área, como certificações CEN e ISO, o que a Allied Cycle Works – e a maioria das outras grandes marcas – podem ser consideradas as práticas mais comuns. Além das inspeções visuais frequentes, peças individuais e subconjuntos são pesados individualmente como forma de garantir que a quantidade adequada de resina tenha sido infundida em cada componente. Graças em parte aos menores volumes de produção da Allied, as matérias-primas também são rastreadas.
o fornecedor Alemão de quadros Canyon chega a inspecionar garfos e quadros com uma máquina de raios-X, que fornece uma maneira mais detalhada e não destrutiva de examinar peças compostas acabadas.
um quadro acabado
tudo dito e feito, criando um quadro de carbono é um processo demorado, e que permanece surpreendentemente prático. Para um material com tanta versatilidade em seu uso, não há dúvida de que o diabo está nos detalhes – especialmente quando se trata de criar algo igualmente leve, forte, compatível e seguro.
de longe, não mudou muito na fabricação de bicicletas de carbono ao longo dos anos. No entanto, olhe mais fundo e você verá que a melhor compreensão da aplicação do material e o controle de qualidade aprimorado levaram a um produto superior ao que estava disponível nos últimos anos. Não importa a forma estética que um quadro tome, é seguro dizer que o verdadeiro desempenho da fibra de carbono está bem abaixo da superfície.
