Resin je neopěvovaný hrdina, který drží váš karbonový rám pohromadě, a je stejně důležitý pro výkon
Zeptejte se většiny roadies, z čeho je jejich rám kola vyroben, a odpověď bude pravděpodobně „karbon“. Zeptejte se kohokoli, kdo se zabývá výrobou rámů jízdních kol (nebo jiných produktů vyrobených z tohoto tkaného zázračného materiálu) a dostanete složitější odpověď.
„V cyklistickém průmyslu obvykle slyšíme mluvit o karbonu, ale ve skutečnosti je to příliš zjednodušující – zobecnění,“říká Thomas Leschik, vedoucí inženýrství německého výrobce kol Lightweight. „Je to vlastně matrice uhlíkových vláken a epoxidové pryskyřice. Přesnější termín je CFRP – plast vyztužený uhlíkovými vlákny.'
Naše velmi žádané oře jsou tedy jen o málo víc než kola z vyztuženého plastu. Je to jednoduchá zkratka a jde dlouhou cestu k vysvětlení důležitosti pryskyřic – které jsou plastovou (nebo polymerovou) částí CFRP. Pryskyřice v podstatě dává kompozitnímu materiálu jeho tuhost. Jak říká Phil Dempsey ze společnosti Aprire, která se specializuje na kola z uhlíkových vláken, „uhlíkové vlákno je čistě tkanina. Samo o sobě je to jen kus látky.‘
Pokud jde o popisy produktů a doprovodné marketingové zprávy, značka nebo typ uhlíkových vláken (např. Toray, T800, 65HM1K, ultra vysoký modul) je běžně uváděna jako základní rys vlastností hotového produktu. Jako by ve hře nebylo nic jiného, ale ve skutečnosti vlákna tvoří jen něco málo přes polovinu materiálu rámu. Zbytek je epoxidová pryskyřice, která jednoznačně musí hrát důležitou roli v tom, jak si moderní kolo vede. Proč se to tedy marketingové sdělení zřídka zmiňuje?
ABC CFRP
| CFRP |
Plast vyztužený uhlíkovými vlákny (nebo polymer). Kompozitní materiál označený až jako uhlík nebo uhlíková vlákna. |
| Léčba |
Proces aplikace tepla a často tlaku na strukturu CFRP za účelem „nastavení“ pryskyřice a dodávají hotovému kusu tuhost. |
| Vláknina | Prameny uhlíku, které jsou tkané nebo pletené dohromady, aby vytvořily výztužný prvek struktury CFRP. Často se jim říká ‚vlákna‘. |
| Mould | Fyzická součást, ve které a kolem které jsou položeny desky z uhlíkových vláken, aby vytvořily rám. |
| Ply book | V podstatě kniha oslavovaných šicích vzorů. Tyto detaily popisují, jak je každý jednotlivý kus uhlíkových vláken řezán a sestavován, a jsou nejpřísněji střeženým tajemstvím. |
| Pre-preg | Plátky z uhlíkových vláken impregnované nevytvrzenou pryskyřicí. |
| Pryskyřice | Tekutý polymer používaný ke spojení vláken dohromady v rámci struktury CFRP. |
Zasvěcené znalosti
Abychom porozuměli roli pryskyřice v hotovém kole z uhlíkových vláken, musíme porozumět výrobnímu procesu a tomu, jak je pryskyřice do něj začleněna.
V podstatě existují dva typy konstrukce z uhlíkových vláken: mokré a suché. Pro mokrou výrobu společnost nakupuje tkaninu z uhlíkových vláken již impregnovanou pryskyřicí, známou jako prepreg. Tyto lepkavé desky se pokládají do formy nebo kolem formy a poté se vytvrzují za použití tepla a tlaku, aby se vytvořila tuhost. Technika výroby suché infuze pryskyřice může mít dvě různé formy. První je podobný způsobu, jakým probíhá výroba prepregu, s nařezanými tvary suché látky položené přes formu, s pryskyřicí přidanou jako součást procesu vytvrzování. Druhá technika, kterou používají společnosti jako Time a BMC (se svými koly Impec), zahrnuje natažení souvislé trubkové struktury podobné ponožkám přes formu v jediné délce. Odtud se pryskyřice pod tlakem přidává do již vytvořených tvarů.
Giant je jediná značka, která vyrábí všechny své vlastní karbonové pre-preg produkty od „cívky až po konečnou úpravu“– to znamená, že kupuje své uhlíkové vlákno jako nit na velkých cívkách, přidává vlastní pryskyřici a pokračuje ve výrobě svých rámů, tyčí, představců a příslušenství. Giant se tedy zdá jako dobrá společnost, která se ptá na důležitost pryskyřic.
Jeho manažer pro produkty a školení ve Spojeném království, David Ward, říká: „Naše vlákno z uhlíkových vláken je dodáváno přímo od společnosti Toray [největší světový výrobce uhlíkových vláken] do navíječky. Odtud je navlečen na tkalcovské stavy a vetkán do obrovských karbonových pláten. Až po tkaní se přidá pryskyřice. Pryskyřice sedí ve žlábku nad sestavou válců a je přenášena na pohyblivou tkaninu, nanášená na vlákna pomocí válců.“Proces je jednoduchý a technika používaná Giantem je v podstatě identická s technikou používanou všemi výrobci předimpregnované uhlíkové vlákno. Ale i když to může být jednoduché ve své mechanice, přesnost, opakovatelnost a kontrola jsou životně důležité pro integritu hotového produktu.
‚Pryskyřice musí protékat mezi jednotlivými vlákny a dokonale je obalovat,‘říká Ward. „Dobrá distribuce pryskyřice je zásadní pro získání dobrého předimpregnovaného materiálu z konce výrobní linky.“Dempsey z Aprire dodává: „Je tak důležité, aby pryskyřice procházela vrstvami. Pokud se spletete s pryskyřicí, máte prasklý rám. Je to opravdu důležité.‘
V plném proudu
„Protože pryskyřice tvoří 40 % obřího rámu po vytvrzení, je pryskyřice velmi důležitou součástí,“říká Ward. ‚Jakmile je termoset [vytvrzen], je to pryskyřice, která dodává struktuře tuhost.‘Kromě základních strukturních vlastností hraje pryskyřice další zásadní roli. Dempsey říká: „Musíte přenést napětí z jedné části do druhé. Jsou to pryskyřice, které umožňují přenos zatížení mezi vrstvami vláken.‘
Různé pryskyřice ovlivní vlastnosti konečného produktu. Dempsey říká: ‚Pokud je pryskyřice příliš viskózní, neproteče uhlíkem a skončíte tak, že se vlákna vzájemně dotýkají. V ideálním případě je chcete, aby byly oddělené.‘
Pak je tu otázka stlačitelnosti, která ovlivňuje tloušťku uhlíkových struktur. „Různá aditiva v pryskyřici ovlivní stlačitelnost,“říká Dempsey.„Můžete získat různou tloušťku vrstvy v závislosti na vlastnostech pryskyřice. Obecně platí, že levnější pryskyřice budou tlustší. S dobrou pryskyřicí mohou být uhlíková vlákna od sebe vzdálena mikrony. Díky tomu získáte tenčí stěny při stejné pevnosti, což znamená lehčí rám. Levnější pryskyřice zanechává více materiálu mezi vlákny a vrstvami.‘
Jelikož Giant vyrábí zcela interně, dokázal vyvinout vlastní pryskyřice. Ward říká: „Teď jsme na naší třetí generaci vývoje pryskyřice. Menší detaily procesu tvarování a vytvrzování jsou všechny zásluhou vlastností pryskyřice – teploty, při které dochází k vytvrzení, a doby vytvrzování.“Vzhledem k širokému cenovému rozpětí svých uhlíkových produktů používá Giant dva typy pryskyřic. „Naše standardní pryskyřice se používá ve všech produktových řadách kromě produktů Advanced SL,“říká Ward. „Pro Advanced SL používáme nanotechnologickou přísadu. Nanočástice zvyšují odolnost našich rámů proti nárazu o 18 % bez negativního vlivu na tuhost nebo hmotnost. Stojí však mnohem víc.‘
Dalším vedlejším produktem částic je zlepšené zhutnění stěny během vytvrzování. „Nanočástice umožňují pryskyřici vyplnit mikrodutiny v nánosu. Pryskyřice ve skutečnosti lépe teče, snižuje možnost vzniku dutin a zmenšuje tloušťku stěny, “dodává Ward.
Úloha pryskyřice při redukci dutin je klíčovým bodem strukturální integrity rámu, jak vysvětluje Dempsey. „Prázdniny v pryskyřici jsou díry, které shromažďují napětí,“říká. „Jsou to potenciálně místa selhání a dutiny selhávají tím, že se oddělují, jak se vrstvy oddělují. Stále můžete získat delaminaci bez dutin, ale chcete se zaměřit na minimální vzduchové kapsy v kompozitu.‘
Kromě přenosu zatížení, tloušťky stěny a robustnosti mohou mít pryskyřice vliv na jízdu na kole. Dempsey říká: „Z jednoduchého hlediska si můžete pryskyřice představit jako dvousložkový produkt ve stylu Araldit s pryskyřicí a tvrdidlem. Množství použitého tvrdidla s danou pryskyřicí může mít podstatný vliv na jízdní vlastnosti. Pro dobrý rám kola potřebujete určitou pružnost ve vytvrzené pryskyřici, která umožní přenos napětí mezi vrstvami uhlíkových vláken. Toho dosáhnete použitím silnější pryskyřice s menším množstvím tužidla. Chytří konstruktéři mohou získat tužší nebo přizpůsobivější konstrukci pro danou hmotnost. Nemůžete se spoléhat na tuhost pryskyřice, ale jako inženýr si musíte být vědomi potenciálních vlastností, které pryskyřice může přidat hotové konstrukci.‘
Pryskyřice jsou jednoznačně důležité pro kvalitu hotového rámu, takže se vracíme k otázce, proč o nich tak málo slyšíme.
„Pryskyřice je povolení, nikoli ovladač funkcí,“říká Dempsey. „Pryskyřice nám umožňuje spojit různé vrstvy uhlíkových vláken dohromady – například T700 až T800 – a využít tak různé vlastnosti, které nám vlákna představují. Je těžké ho prodat a je velmi obtížné ho otočit, ale roli, kterou hrají, by se neměla podceňovat.‘
Giant's David Ward to vyjádřil stručněji: „Pryskyřice jsou pouze lepidlo. Prostě nejsou sexy.‘
Žhavost okamžiku
Vzhledem k tomu, že většina výrobců kol používá pre-preg uhlík, jejich možnosti jsou omezené, pokud jde o použití pryskyřice k ovlivnění výkonu rámu. Ale to nebrání lidem hledat nové směry nebo tlačit pryskyřice a pre-preg společnosti k výrobě různých produktů.
Dempsey říká: ‚Pracujeme na tom, abychom partnery přiměli k výrobě pryskyřice, která při pokojové teplotě nevyprchá. Jedním omezujícím faktorem designu je, že jakmile vyjmete prepreg z jeho chladícího skladu, začne vytvrzovat na vzduchu. Mimo vytvrzovací pec nikdy zcela neztvrdne, ale „zhasne“. Pre-preg, který nám umožnil použít složitější proces kladení a rozvinout naši knihu vrstev [viz glosář vlevo] na požadovanou úroveň, by nám umožnil získat mnohem více z našeho konečného výsledku. To by pro nás bylo skvělé.‘
Jednou oblastí, kde pryskyřice hrají velkou roli, je výroba karbonových kol. Zde jsou pryskyřice klíčové nejen pro strukturální integritu a tuhost kola, ale také pro brzdný výkon.
Leschik z Lightweight říká: „Nejslabším místem pryskyřice je její teplotní chování. Většina pryskyřic má problémy nad 150 °C. Za posledních 10 let jsme zvýšili tepelnou odolnost našich pryskyřic trojnásobně.‘
Téměř každý cyklista už slyšel hororový příběh o tom, jak karbonové kolo selže při dlouhém sjezdu kvůli nahromadění tepla, ale co se vlastně stane, když se brzdová destička dotkne ráfku? Leschik říká: „Tribologie je věda a inženýrství interagujících povrchů v relativním pohybu. Zahrnuje studium a aplikaci principů tření, mazání a opotřebení. Jedním z takových tribologických systémů je brzdění na CFRP ráfku s pryžovými brzdovými destičkami za mokra nebo za sucha. Optimalizace tohoto systému pro dobrý brzdný výkon není možná bez pryskyřic odolných vůči vysokým teplotám.’
Stejně jako u výkonu rámu jsou to přísady v pryskyřicích, které zvyšují tepelnou odolnost a zvyšují cenu. Jednou z takových přísad je keramika – oxid křemičitý. Zatímco Aprire nevyrábí kola, Dempsey tomuto procesu rozumí: „Pryskyřice dělá obrovský rozdíl v karbonové struktuře ráfku. Například přidání oxidu křemičitého odvádí podstatné množství tepla z těla konstrukce a umožňuje proudění vzduchu chladit ráfek mnohem lépe než u standardního CFRP ráfku. Měď by byla skvělým aditivem, protože má schopnost čerpat obrovské množství tepla, ale existuje možnost, že se síra vyloučí do pryskyřice, pokud se vlhkost dostane dovnitř přes jakékoli mikrotrhliny. To by vedlo k téměř jisté delaminaci. Chladiče – sítě v pryskyřici – mají velký potenciál. Tato technologie může přijít.‘
Leschik z Lightweight také velmi důvěřuje vývoji pryskyřice: „Zabýváme se optimalizací ráfků ráfkových brzd. S chytrými pryskyřicemi jsme si jisti, že můžeme jezdci poskytnout stejný brzdný výkon jako kotouče bez jediného gramu hmotnosti navíc.‘
Tvrdá pravda
Je jasné, že pryskyřice je neopěvovaným hrdinou procesu stavby kol. Může to ovlivnit tuhost, robustnost, hmotnost, bezpečnost a cenu produktů z uhlíkových vláken, takže můžeme očekávat, že výrobci začnou lyricky líčit zázraky svých lepkavých látek? Pravděpodobně ne, protože je to stále jen jedna část složitého systému. Vysoce kvalitní pryskyřice nenahradí nekvalitní uhlíková vlákna nebo neinspirované konstrukční techniky. Jak říká Leschik z Lightweight: „Pokaždé je to stejné: k uvaření pěkného dortu potřebujete ty správné ingredience ve správném poměru, dobře udělané.“
Uhlíkový žargon: Co to všechno znamená?
