La resina es el héroe anónimo que mantiene unido el cuadro de carbono y es igual de crucial para el rendimiento
Pregunte a la mayoría de los roadies de qué está hecho el cuadro de su bicicleta y la respuesta probablemente será "carbono". Pregúntele a cualquiera que esté involucrado en la fabricación de cuadros de bicicleta (o incluso en otros productos hechos con este maravilloso material tejido) y obtendrá una respuesta más compleja.
'En la industria de las bicicletas solemos escuchar hablar del carbono, pero en realidad eso es demasiado simplista, una generalización', dice Thomas Leschik, jefe de ingeniería del fabricante alemán de ruedas Lightweight. “En realidad es una matriz de fibras de carbono y resina epoxi. El término más exacto es CFRP – plástico reforzado con fibra de carbono.'
Así que nuestros codiciados corceles son poco más que bicicletas de plástico reforzadas. Es una abreviatura simple y explica en gran medida la importancia de las resinas, que son la parte plástica (o polimérica) de CFRP. Esencialmente, la resina le da al material compuesto su rigidez. Como dice Phil Dempsey de Aprile, una empresa especializada en bicicletas de fibra de carbono: “La fibra de carbono es puramente un tejido. Solo es solo un trozo de tela.'
Cuando se trata de descripciones de productos y la palabrería de marketing que la acompaña, la marca o el tipo de fibra de carbono (p. ej., Toray, T800, 65HM1K, módulo ultra alto) se anuncia habitualmente como la característica fundamental de las características del producto terminado. Es como si no hubiera nada más en juego, pero de hecho las fibras constituyen poco más de la mitad del material del marco. El resto es la resina epoxi, que claramente debe desempeñar un papel importante en el rendimiento de una bicicleta moderna.¿Por qué, entonces, la propaganda de marketing rara vez lo menciona?
El ABC del CFRP
| PRFC |
Plástico reforzado con fibra de carbono (o polímero). El material compuesto referido a carbono o fibra de carbono. |
| Cura |
El proceso de aplicar calor y, a menudo, presión a una estructura de CFRP para 'fijar' el resinar y dar rigidez a la pieza acabada. |
| Fibra | Hilos de carbono que se tejen o entretejen para crear el elemento de refuerzo de una estructura de CFRP. A menudo llamados "filamentos". |
| Molde | El componente físico dentro y alrededor del cual se colocan las láminas de fibra de carbono para crear el marco. |
| Libro de capas | Esencialmente un libro de patrones de costura glorificados. Estos detallan cómo se corta y ensambla cada pieza individual de fibra de carbono, y son los secretos mejor guardados. |
| Pre-preg | Laminas de hilos de fibra de carbono impregnadas con resina sin curar. |
| Resina | Polímero líquido utilizado para unir fibras dentro de una estructura de CFRP. |
Conocimiento interno
Para comprender el papel que tiene la resina en una bicicleta de fibra de carbono terminada, debemos comprender el proceso de fabricación y cómo se incorpora la resina.
En esencia, hay dos tipos de construcción de fibra de carbono: húmeda y seca. Para la fabricación húmeda, una empresa compra tela de fibra de carbono ya impregnada con resina, conocida como prepreg. Estas láminas pegajosas se colocan dentro o alrededor de un molde y luego se curan con calor y presión para infundir rigidez. La técnica de fabricación por infusión de resina seca puede adoptar dos formas diferentes. El primero es similar a la forma en que se lleva a cabo la fabricación de preimpregnados, con formas cortadas de tela seca colocadas sobre un molde, con la resina añadida como parte del proceso de curado. La segunda técnica, utilizada por empresas como Time y BMC (con sus bicicletas Impec), consiste en estirar una estructura tubular continua similar a un calcetín sobre un molde de una sola longitud. A partir de aquí, la resina se añade a presión a las formas ya formadas.
Giant es la única marca que fabrica todos sus propios productos preimpregnados de carbono desde el "bobina hasta el final", es decir, compra su fibra de carbono como un hilo en bobinas grandes, agrega su propia resina y pasa a fabricar sus cuadros, barras, potencias y accesorios. Giant, entonces, parece una buena compañía para preguntar sobre la importancia de las resinas.
Su gerente de capacitación y productos en el Reino Unido, David Ward, dice: “Nuestro filamento de fibra de carbono se envía directamente desde Toray [el mayor productor de fibra de carbono del mundo] a la sala de bobinas. Desde allí, se ensarta en los telares y se teje en enormes láminas de tela de carbón. Es después de tejer que se agrega la resina. La resina se asienta en un canal sobre el conjunto de rodillos y se pasa a la tela en movimiento, aplicada a los filamentos a través de rodillos.' El proceso es simple, y la técnica utilizada por Giant es prácticamente idéntica a la utilizada por todos los fabricantes de fibra de carbono preimpregnada. Pero si bien puede ser simple en su mecánica, la precisión, la repetibilidad y el control son vitales para la integridad del producto terminado.
'La resina tiene que fluir entre cada filamento y cubrirlo perfectamente', dice Ward. “Una buena distribución de la resina es vital para obtener un buen preimpregnado al final de una línea de producción”. Dempsey en Aprile agrega: “Es muy importante que la resina atraviese las capas. Si te equivocas con la resina, tienes un marco agrietado. Es realmente crítico.'
En medio de todo
‘Debido a que la resina constituye el 40 % de un marco Giant después del curado, la resina es una parte muy importante,’ dice Ward. “Una vez que es termoestable [curado], es la resina la que le da rigidez a la estructura”. Además de las propiedades estructurales básicas, la resina juega otro papel vital. Dempsey dice: 'Tienes que transferir tensiones de una parte a otra. Son las resinas las que permiten la transferencia de cargas entre las capas de fibras.’
Las diferentes resinas afectarán el rendimiento del producto final. Dempsey dice: "Si la resina es demasiado viscosa, no atravesará el carbono y terminará con fibras que se tocan entre sí". Lo ideal sería que los quisieras minuciosamente separados.’
Luego está el tema de la compresibilidad, que afecta el grosor de las estructuras de carbono. “Diferentes aditivos en la resina afectarán la compresibilidad”, dice Dempsey.“Se puede obtener un grosor de capa diferente según las características de la resina. Generalmente, las resinas más baratas serán más espesas. Con una buena resina, las fibras de carbono pueden estar separadas por micrones. Eso le brinda paredes más delgadas para las mismas cualidades de resistencia, lo que significa un marco más liviano. Una resina más barata deja más material entre las fibras y las capas.’
Como Giant fabrica totalmente internamente, ha podido desarrollar sus propias resinas. Ward dice: “Estamos en nuestra tercera generación de desarrollo de resina ahora. Los detalles más pequeños del proceso de moldeado y curado se deben a las propiedades de la resina: la temperatura a la que se dispara y el tiempo que tarda el curado”. Debido a la amplia gama de precios de sus productos de carbono, Giant utiliza dos tipos de resina. “Nuestra resina estándar se usa en todas las líneas de productos, excepto en los productos Advanced SL”, dice Ward. “Para el Advanced SL, utilizamos un aditivo de nanotecnología. Las nanopartículas aumentan la resistencia al impacto de nuestros cuadros en un 18 % sin afectar negativamente a la rigidez ni al peso. Aunque cuestan mucho más.’
Un subproducto adicional de las partículas es una mejor compactación de la pared durante el curado. “Las nanopartículas permiten que la resina rellene los microvacíos del laminado. De hecho, la resina fluye mejor, lo que reduce la posibilidad de que se formen vacíos y reduce el grosor de la pared”, agrega Ward.
El papel de una resina en la reducción de vacíos es un punto clave en la integridad estructural de un marco, como explica Dempsey. "Los vacíos en la resina son agujeros que acumularán estrés", dice. “Estos son puntos de falla potencial, y los vacíos fallan al explotar a medida que las capas se delaminan. Todavía puede obtener deslaminación sin vacíos, pero desea apuntar a bolsas de aire mínimas en el compuesto. '
Además de la transferencia de carga, el grosor de la pared y la robustez, las resinas pueden afectar la conducción de la bicicleta. Dempsey dice: “Desde un punto de vista simple, puede pensar en las resinas como un producto estilo Araldite de dos componentes con una resina y un endurecedor. La cantidad de endurecedor que se usa con una resina dada puede tener un efecto sustancial en la calidad del andar. Para un buen cuadro de bicicleta, se necesita algo de flexibilidad dentro de una resina curada para permitir la transferencia de tensiones entre las capas de fibra de carbono. Puede obtener esto usando una resina más fuerte con menos endurecedor. Los diseñadores inteligentes pueden obtener una estructura más rígida o más adaptable para un peso determinado. No puede confiar en la rigidez de una resina pero, como ingeniero, debe ser consciente de las propiedades potenciales que la resina puede agregar a una estructura terminada.'
Las resinas son claramente importantes para la calidad del cuadro terminado, por lo que volvemos a la pregunta de por qué escuchamos tan poco sobre ellas.
'La resina es un permiso, no un impulsor de características', dice Dempsey. “La resina nos permite unir las diferentes capas de fibra de carbono, por ejemplo, T700 a T800, para utilizar las diferentes propiedades que nos presentan las fibras. Es difícil de vender y muy difícil de manipular, pero no se debe subestimar el papel que desempeñan”.
David Ward de Giant lo expresa de manera más sucinta: “Las resinas son solo un pegamento. Simplemente no son sexys.'
El calor del momento
Dado que la mayoría de los fabricantes de bicicletas usan carbono preimpregnado, sus opciones son limitadas en cuanto al uso de resina para afectar el rendimiento de un cuadro. Pero eso no impide que las personas busquen nuevas direcciones, o que presionen a las empresas de resinas y preimpregnados para que produzcan productos diferentes.
Dempsey dice: 'Estamos trabajando para conseguir socios que produzcan una resina que no se estropee a temperatura ambiente. Un factor limitante con el diseño es que tan pronto como se saca el preimpregnado de su almacenamiento en frío, comienza a curarse al aire. Nunca se endurecerá por completo fuera del horno de curado, pero se “explotará”. Un preimpregnado que nos permitiera usar un proceso de laminado más complejo y desarrollar nuestro libro de capas [ver el glosario, a la izquierda] al nivel que queremos, nos permitiría obtener mucho más de nuestro resultado final. Eso sería genial para nosotros.'
Un área en la que las resinas juegan un papel importante es en la fabricación de ruedas de carbono. Aquí las resinas son clave, no solo para la integridad estructural y la rigidez de la rueda, sino también para el rendimiento de frenado.
Leschik de Lightweight dice: El punto más débil de una resina es su comportamiento con la temperatura. La mayoría de las resinas tienen problemas por encima de los 150°C. En los últimos 10 años, hemos triplicado la resistencia a la temperatura de nuestras resinas.’
Casi todos los ciclistas habrán escuchado una historia de terror sobre una rueda de carbono que falla en un largo descenso debido a la acumulación de calor, pero ¿qué sucede realmente cuando la pastilla de freno se encuentra con la llanta? Leschik dice: 'La tribología es la ciencia y la ingeniería de las superficies que interactúan en movimiento relativo. Incluye el estudio y aplicación de los principios de fricción, lubricación y desgaste. El frenado en una llanta CFRP con pastillas de freno de goma en condiciones húmedas o secas es uno de esos sistemas tribológicos. La optimización de este sistema para un buen rendimiento de los frenos no es posible sin resinas resistentes a altas temperaturas.’
Al igual que con el rendimiento del marco, son los aditivos en las resinas los que se suman a la resistencia al calor y al precio. Uno de esos aditivos es una cerámica: sílice. Si bien Aprire no fabrica ruedas, Dempsey entiende el proceso: “Las resinas marcan una gran diferencia en la estructura de una llanta de carbono. Por ejemplo, agregar sílice extrae una cantidad sustancial de calor del cuerpo de la estructura y permite que el flujo de aire enfríe la llanta mucho mejor que con una llanta CFRP estándar. El cobre sería un gran aditivo, ya que tiene la capacidad de absorber grandes cantidades de calor, pero existe la posibilidad de que el azufre se filtre en la resina si la humedad ingresa a través de microfisuras. Esto conduciría a una deslaminación casi segura. Los disipadores de calor (mallas dentro de la resina) tienen un gran potencial. Esta tecnología bien puede llegar.'
Leschik de Lightweight también tiene una gran fe en los desarrollos de resina: Estamos analizando la optimización de las llantas de frenado. Con las resinas inteligentes, estamos seguros de que podemos ofrecer al ciclista el mismo rendimiento de frenado que los discos sin un solo gramo extra de peso.'
La dura verdad
Está claro que la resina es un héroe anónimo del proceso de construcción de bicicletas. Puede afectar la rigidez, la robustez, el peso, la seguridad y el precio de los productos de fibra de carbono, entonces, ¿podemos esperar que los fabricantes comiencen a hablar con entusiasmo sobre las maravillas de sus productos pegajosos? Probablemente no, porque todavía es solo una parte de un sistema complejo. La resina de gran calidad no compensará la fibra de carbono de mala calidad o las técnicas de construcción poco inspiradas. Como dice Leschik de Lightweight, "Siempre es lo mismo: para cocinar un buen pastel necesitas los ingredientes correctos en la proporción correcta, bien hecho".
Jerga del carbono: ¿Qué significa todo esto?
