Explicación de los materiales del cuadro de la bicicleta: fibra de carbono

La fibra de carbono aparentemente se ha convertido en el material preferido para los cuadros de las bicicletas.

Pero este no fue siempre el caso. En los años 80 y 90, el acero y el aluminio dominaban la industria. El titanio estaba en la punta de lanza para cuadros o bicicletas personalizados. Los cuadros de bicicleta de fibra de carbono estaban en auge, pero el material aún era inalcanzable para la mayoría.

Los precios han cambiado de manera interesante en los últimos 30 años de desarrollo de cuadros de bicicletas. La fibra de carbono, el material de cuadro más raro del pasado, ahora es común. Aunque siguen siendo caros, los precios han bajado.

El acero solía ser asequible y todavía puede serlo. Pero ahora, los constructores personalizados están obteniendo precios superiores por lo que solía ser el material de marco más común. El titanio y el aluminio parecen haber mantenido su posición relativa en la jerarquía de precios de los materiales del cuadro.

Este es nuestro desglose de los cómo y los porqués de los cuadros de bicicleta de fibra de carbono.

La fibra de carbono es un material excelente para fabricar un cuadro de bicicleta. La relación resistencia-peso de los cuadros de bicicleta de carbono es insuperable y las marcas pueden "programar" otras características. Los fabricantes pueden alterar el tamaño y la dirección de las fibras, el patrón de tejido, si lo hubiera, el número de capas, la forma de las piezas y el agente adhesivo.

Los cuadros de fibra de carbono parten de lo que parece; Filamentos finos de 10 a 20 veces más pequeños que un cabello humano. Los proveedores de telas de carbono agrupan los filamentos para formar un “remolque” o cinta. El número de filamentos por cable suele describir el carbono en la industria del ciclismo. El carbono “3K” tiene 3.000 filamentos por estopa.

Los proveedores combinan los cables de fibra de carbono con un agente adhesivo, generalmente una resina epoxi de dos componentes. En esta etapa, la resina y el estopa son ahora un material compuesto que la industria llama polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP).

Los filamentos de carbono por sí solos son increíblemente ligeros. La resina epoxi, por el contrario, es pesada. Por eso los fabricantes hacen todo lo posible para limitar la cantidad de resina y los huecos dentro del composite.

La “receta” de filamentos y resina que siguen los productores de fibra de carbono afecta el “módulo” de la fibra de carbono. Este término aparece a menudo en materiales de marketing para cuadros y ruedas de bicicleta de fibra de carbono. El módulo se refiere a la rigidez del CFRP.

Aunque pueda parecer que más rigidez es mejor, también significa que la fibra de carbono tiene menos resistencia. Entonces, como muchos aspectos de una bicicleta, es un compromiso. Además, la fibra de carbono de mayor módulo es más costosa de producir.

La tela de fibra de carbono generalmente se envía a los fabricantes de cuadros en rollos "preimpregnados". El proveedor de fibra de carbono impregna la tela con resina epoxi, por lo que el fabricante del cuadro no tiene que realizar ese paso. El material está listo para ser cortado en pedazos y colocado en moldes.

Al menos una marca aplica resina a telas secas de fibra de carbono colocadas sobre moldes de cera. Otros procesos, comoImpresión de cuadros de bicicleta de fibra de carbono., se están desarrollando.

La mayoría de las bicicletas y componentes de fibra de carbono actuales utilizan resina epoxi como agente aglutinante. Algunas empresas más pequeñas están empleando polímeros de cadena larga como agentes aglutinantes. Esto aporta una característica de flexión diferente al producto final. Y también lo hace reciclable, mientras que los productos de fibra de carbono que usan resina epoxi no lo son.

Los fabricantes de cuadros crean sus propias “recetas” de piezas de fibra de carbono, las colocan en moldes de su creación y las “hornean” en su proceso específico. Cada una de las muchas variables le da al cuadro de la bicicleta la rigidez lateral, la flexibilidad vertical, la resistencia al impacto y otros atributos físicos que el equipo de diseño busca.

Los trabajadores colocan la tela preimpregnada de fibra de carbono sobre mesas y cortan cientos de piezas individuales que forman un marco. Luego, estas piezas se colocan a mano en moldes, generalmente hechos de metal, en un orden y dirección de fibra especificados por los ingenieros.

Las marcas de cuadros de fibra de carbono determinan la cantidad de superposición y la cantidad de capas necesarias para producir los atributos deseados. El “manual de instrucciones” para este proceso de colocación es el cronograma de colocación, que puede variar para cada tamaño de marco para manejar las diferentes cargas.

Las marcas pueden utilizar diferentes tejidos de fibra de carbono para diferentes piezas. Esto aprovecha la fibra de carbono de módulo más alto y más bajo para lograr objetivos u objetivos de costos específicos.

Los moldes suelen venir en dos mitades. Cuando se completan las bandejas de ambos lados, los trabajadores sujetan las mitades juntas y, por lo general, hay una vejiga inflable interna dentro.

Trabajadores calificados calientan los moldes tipo bivalva, la capa de carbón y la vejiga interna para activar la resina epoxi preimpregnada. Durante este proceso, el constructor presuriza la vejiga interna para presionar el carbón contra las paredes interiores del molde para reducir los huecos. Estos huecos pueden producir áreas débiles si todavía están presentes cuando cura la resina epoxi.

Las marcas de cuadros de bicicletas de carbono se esfuerzan por mejorar la compactación de la disposición para eliminar los huecos y han ideado diferentes estrategias. La mayoría todavía usa una vejiga inflable. Otros utilizan moldes internos no inflables pero expansibles hechos de silicona (que crece con el aumento de temperatura). Predigo avances continuos en la compactación a medida que los ingenieros desarrollen métodos más eficientes para moldear cuadros de bicicletas de fibra de carbono.

Una vez que el marco se cura y el constructor lo libera del molde y la vejiga, todavía queda mucho trabajo por hacer antes de que esté listo para enviarse o instalar piezas. Estos procesos posteriores al moldeo, al igual que el proceso de laminado, requieren una gran parte del tiempo total de mano de obra.

Estos pasos incluyen desbarbado, lijado, mecanizado, tratamientos superficiales y preparaciones finales para pintar. El proceso posterior al molde puede representar entre el 50% y el 60% del tiempo total de mano de obra y presentar una oportunidad para reducir costos mediante ingeniería inicial, segúnMundo Compuestos.

Un ejemplo sería crear moldes y programas de colocación que garanticen un acabado superficial más consistente del marco. La reducción de la mano de obra posterior al molde es un área en la que los fabricantes estadounidenses pueden cerrar la brecha de precios con la producción asiática de marcos.

Han surgido algunas percepciones negativas a medida que los cuadros de fibra de carbono se han vuelto más comunes, menos costosos y principalmente producidos en el extranjero. Los ciclistas pueden decir que no tienen alma. Visiones de fábricas gigantes que escupen humo reemplazan el pensamiento idílico de un fabricante soldando pacientemente un marco en un pequeño taller.

Pero el trabajo humano es casi en su totalidad responsable de la producción de cuadros de bicicleta de fibra de carbono. Es principalmente una tarea práctica, desde cortar la tela de carbono en pedazos hasta colocarlos en los moldes, terminarlos y pintarlos después.

Fui culpable de albergar esta percepción de “carbono de fábrica” hasta que fui testigo de la producción de cuadros de bicicleta de fibra de carbono en ENVE Composites. Es verdaderamente un proceso que requiere mucha mano de obra humana. Y aunque términos sofisticados como “dinámica de fluidos computacional” saturan los materiales de marketing, en última instancia, las llamadas finales al diseño y la ingeniería se reducen a un ser humano que toma decisiones. Gran parte se basa en experiencias de conducción. No, no es un ser humano con un soplete en un cobertizo haciendo referencia a longitudes y ángulos de tubos en papel. Pero está muy lejos de la visión de la línea de montaje que muchos tienen.

“Lo que la mayoría de la gente no entiende acerca de los cuadros de carbono es que no es específicamente el material en sí lo que aumenta el costo de un cuadro de carbono. Es el trabajo necesario para convertir el carbono en un producto utilizable. Muy poco del proceso de fabricación de carbono está automatizado.

“Normalmente, la diferencia entre un cuadro de carbono de $3000 y uno de $5000 no es el módulo o la calidad de la fibra; más bien, es la cantidad de tiempo y energía invertida en refinar cada componente del diseño y la cantidad de tiempo que lleva colocar cada uno de esos componentes en los moldes”, dice Jake Pantone, vicepresidente de Producto y Marca deCompuestos ENVE.

Ahora comprende los conceptos básicos de la fabricación de cuadros de bicicleta de fibra de carbono. Espero que tengas una idea de lo notable que es el material. Las marcas de cuadros de bicicletas de carbono pueden determinar casi todas las características a través de tejidos de carbono específicos, agentes adhesivos, programas de colocación, conformación de moldes y procesos de compactación. La fibra de carbono es realmente el material más personalizable para la producción de cuadros de bicicletas.

Los fabricantes de estructuras deben trabajar con las formas de tubos disponibles para titanio, acero y aluminio, lo que limita gravemente las opciones de diseño. Ha habido avances recientes en la fabricación aditiva, como el titanio impreso. Pero estas apasionantes tecnologías están lejos de ser tan comunes como los cuadros de bicicleta de fibra de carbono.

Pero la innovación impulsa la industria del ciclismo, en gran parte a través del crisol de las carreras profesionales. En los niveles superiores del deporte, los equipos bien financiados profundizan en cada ganancia marginal imaginable. Y no hace mucho, sustituir el acero o el aluminio por fibra de carbono era “marginal”. Y a través del desarrollo adicional de materiales y fabricación, se espera que el precio de las bicicletas y componentes de fibra de carbono siga bajando.

Los cuadros de bicicleta de fibra de carbono todavía no son resistentes a los choques en comparación con el acero, el aluminio o el titanio. Pero repararlos es mucho más probable hoy en día, ya que un puñado de instalaciones estadounidenses se encargan de las reparaciones de marcos de manera oportuna y asequible. Esta fue una gran mejora con respecto a hace unas décadas, cuando los pocos fabricantes de cuadros de fibra de carbono eran las únicas opciones.

¿Carbono, titanio, aluminio o acero? Cuando se trata de cuadros de bicicletas, el debate continúa. Esto es lo que necesita saber. Leer más…