A los fabricantes les encanta jactarse de la fibra de carbono, por lo que Cyclist decidió investigar qué significa esto y cómo afecta el rendimiento
Una bicicleta, por supuesto, es el mejor regalo de Navidad, pero con la posible excepción de un cachorro, también es el más difícil de envolver. Así que lástima del pobre diseñador de cuadros que tiene que envolver y colocar carbono alrededor de sus complejas curvas de tal manera que, cuando se hornea y termina, el cuadro brinda la sensación de conducción deseada. La construcción de un cuadro de fibra de carbono es un complejo rompecabezas en 3D que eclipsa al Cubo de Rubik.
La belleza del carbono es que, a diferencia del metal, se pueden colocar varias piezas en capas en diversos grados de intersección y superposición para brindar un control muy estricto sobre los atributos de rendimiento y la fuerza requerida en cualquier punto dado del cuadro de una bicicleta. La desventaja es que el carbono es anisotrópico, es más fuerte en una dirección que en otra de manera similar a la madera, lo que significa que la resistencia depende de la dirección de las fibras. Para que el carbono soporte cargas significativas, las fuerzas deben dirigirse a lo largo de sus fibras, lo que hace que la dirección de las fibras sea absolutamente crucial. Las secciones constituyentes del cuadro de una bicicleta experimentan fuerzas en varias direcciones, lo que significa que las fibras de carbono también deben correr en varias direcciones. Es por eso que las diferentes capas tienen sus fibras en diferentes ángulos, comúnmente 0° (en línea), +45°, -45°, +90° y -90°, y de hecho cualquier ángulo elegido por los diseñadores si creará los atributos deseados..
En las profundidades
Así es con todos los cuadros de carbono. Debajo de los lustrosos exteriores hay muchas capas de piezas de fibra de carbono cuyas rigideces, fortalezas, formas, tamaños, posiciones y orientaciones han sido minuciosamente planificadas, generalmente mediante una combinación de paquetes de software de computadora y la experiencia de los ingenieros. Esto se conoce como programa de disposición, o simplemente disposición. Cuando se completa el rompecabezas de carbono, la bicicleta debe ser liviana, receptiva, rentable y capaz de soportar las fuerzas más extremas del ciclismo.
El profesor Dan Adams, director del laboratorio de mecánica de compuestos de la Universidad de Utah en S alt Lake City, él mismo un ciclista entusiasta y que participó en el desarrollo de los primeros cuadros de carbono de Trek, dice que construir cualquier cosa con carbono es todo sobre el programa correcto de colocación. “Especifica la orientación de capas individuales o capas de preimpregnado de carbono/epoxi, apiladas para formar el espesor final de la pieza”, dice. ‘Algunas partes del marco son más fáciles de colocar que otras. Los tubos son relativamente simples, pero las uniones entre ellos son algunas de las estructuras de capas más complejas que verá en la producción de piezas en cualquier industria que use carbono estructuralmente, incluidas la aeroespacial y la automotriz”.
La naturaleza anisotrópica del carbono también hace que elegir el carbono correcto sea crucial. En su forma más simple, hay dos formas de suministrar carbono. Unidireccional (UD) tiene todas las fibras de carbono corriendo en una dirección, paralelas entre sí. La alternativa a UD es una tela tejida o "tela". Tiene fibras que corren en dos direcciones, pasando por debajo y por encima de la otra en ángulo recto para dar la apariencia clásica de fibra de carbono. En la tela más simple, conocida como ligamento tafetán, las fibras se entrelazan por debajo y por encima en cada cruce (llamado '1/1') para producir un patrón en forma de cuadrícula. Hay muchos otros patrones de tejido posibles. La sarga (2/2) es un poco más holgada, por lo que es más fácil de colgar y se reconoce fácilmente por su patrón diagonal, que parece cheurones.
El módulo (una medida de elasticidad) de la fibra también es fundamental para una disposición determinada. El módulo define qué tan rígida es una fibra. Una fibra de módulo estándar, con una clasificación de 265 gigapascales (GPa) es menos rígida que una fibra de módulo intermedio con una clasificación de 320 GPa. Se requiere menos carbono de módulo más alto para fabricar componentes de la misma rigidez, lo que da como resultado un producto más liviano. Por lo tanto, las fibras de módulo más alto pueden parecer la opción preferible, pero hay una trampa. Se puede hacer una analogía con una banda elástica frente a un trozo de espagueti. La banda de goma es muy elástica (tiene un módulo bajo) y se puede flexionar aplicando muy poca fuerza pero no se romperá, además volverá a su forma original después de doblarse. El espagueti, por otro lado, es muy rígido (módulo alto), por lo que resistirá la deformación hasta cierto punto y luego simplemente se romperá. Los departamentos de marketing a menudo se jactan de la inclusión de un determinado módulo de fibra en el último diseño de cuadro, pero en la mayoría de los casos, el cuadro de una bicicleta es un cuidadoso equilibrio de varios tipos de módulo dentro de la disposición para ofrecer una combinación deseable de rigidez, durabilidad y flexibilidad..
Hay una variable más a considerar. Una sola hebra de fibra de carbono es extremadamente delgada, mucho más delgada que un cabello humano, por lo que se unen para formar lo que se llama un "remolque". Para las bicicletas, un remolque puede contener entre 1 000 y 12 000 hilos, aunque lo más común es 3 000 (escrito como 3K).
Fibra esto, fibra aquello
Esos son los conceptos básicos, pero crear una bandeja se vuelve complicado. "Desde el punto de vista puro de la resistencia y la rigidez, el material compuesto ideal tendría la mayor proporción de fibra y resina posible y la menor curvatura de la fibra", dice el Dr. Peter Giddings, ingeniero de investigación del Centro Nacional de Compuestos de Bristol, que ha Trabajó con bicicletas y corrió con ellas durante muchos años. Las fibras unidireccionales, al menos en teoría, son la mejor opción para esto. Los materiales UD tienen una mayor relación rigidez-peso en la dirección de la fibra. Desafortunadamente, los compuestos UD son más susceptibles al daño y, una vez dañados, es más probable que fallen que las telas tejidas.’
Construir un cuadro exclusivamente a partir de capas de carbono UD crearía una bicicleta que sería peligrosamente frágil, sin mencionar prohibitivamente costosa debido a los costos de materiales y horas de mano de obra. Por lo tanto, el carbono tejido domina y es la opción obvia para cualquier área donde haya curvas cerradas y formas de juntas complejas. Además, a la gente le gusta su apariencia. “Estéticamente, se considera que los materiales tejidos se ven mejor que los materiales unidireccionales y la percepción del público de un compuesto es una tela tejida”, dice Giddings. “De hecho, muchos fabricantes pintan [por lo tanto, ocultan] áreas donde la construcción del marco impide una apariencia suave y tejida”.
La facilidad de fabricación también debe tenerse en cuenta en un cronograma de colocación para tener en cuenta los costos de mano de obra. Para uniones y formas complejas, llevará mucho más tiempo crear la disposición ideal con fibras UD. Es otra razón por la que las telas tejidas son la opción preferida de la mayoría de los fabricantes de bicicletas de carbono. "La tela tejida es más fácil de trabajar que la UD y requiere menos habilidad para ajustarla a la forma requerida", dice Giddings. 'UD tiene una tendencia a dividirse o torcerse alrededor de formas complejas. Las telas tejidas sueltas se ajustan más fácilmente y la resistencia general de la estructura se ve menos afectada por defectos de fabricación menores.'
Es probable que los fabricantes opten por un laminado con fibra de carbono en las áreas más complejas, como el pedalier y las uniones del tubo de dirección, pero aún así no es tan simple como parece porque hay otro factor a considerar. "Desea mantener la continuidad de la orientación de la fibra no solo alrededor de las uniones, sino a través y más allá de ellas", dice Paul Remy, ingeniero de bicicletas de Scott Sports. “Puede haber curvaturas complejas en un cruce, como el soporte inferior, por lo que debe pensar en una forma de continuar la orientación de las fibras, para transferir la carga a través de ellas”.
Es aquí donde los ingenieros de estructuras como Remy agradecen la ayuda de la informática. En el pasado, la única forma de saber cómo las diversas alteraciones del programa de colocación podrían afectar el resultado final era construir y probar múltiples prototipos, pero ahora las computadoras pueden probar un programa de colocación con un grado muy alto de precisión antes de una prueba. una sola hebra de fibra ha aterrizado en un molde de marco.
‘Anteriormente, era muy difícil saber qué efecto tendría el cambio de solo una parte de la disposición sobre el rendimiento del cuadro,’ dice Remy.
Bob Parlee, fundador de Parlee Cycles, con sede en Massachusetts, recuerda con cariño esos viejos días antes de que las computadoras hicieran todos los cálculos numéricos: 'Si comprende las cargas en una estructura de entramado, como un marco, las capas son sencillas, por lo que inicialmente podía resolverlos en mi cabeza.» Desde entonces, Parlee ha admitido que el análisis de elementos finitos (FEA) por computadora tiene su lugar. "Originalmente, no colocaría agujeros en los tubos del cuadro [para los puntos de entrada de cables o los soportes del portabidones] porque eran posibles puntos débiles, pero ahora FEA nos dice qué hacer para reforzar ese agujero", dice.
El aumento de la potencia informática junto con un software cada vez más sofisticado permite a los ingenieros analizar muchos modelos virtuales en poco tiempo y ampliar los límites del diseño y los materiales. Según el ingeniero de diseño de Specialized Chris Meertens, “Iteración es el nombre del juego. Las herramientas FEA crean un modelo representativo del marco y el objetivo es tener en cuenta cada fibra. El software me permite diseñar cada capa, en base a un modelo de optimización para los 17 casos de carga que tenemos para un marco modelo.’
Lo que eso significa es que el software indica a Meertens cuánto carbono debe haber en cada área del cuadro y la orientación óptima para las fibras. Sin embargo, la habilidad está en saber qué es y qué no es posible con la acumulación de carbono. A veces, la computadora escupe ideales que están lejos de ser ideales. "La mayoría de las veces lo miro y digo: "No hay forma de que podamos hacer eso", dice Meertens. "Entonces me ocupo en el software de drapeado de laminado para cortar capas virtuales y colocarlas en un mandril virtual, basándome en la viabilidad de fabricación y optimizaciones de laminado".
Incluso usando un software de computadora, esto puede tomar días para descifrarse, y todavía hay un largo camino por recorrer antes de que finalmente se defina la disposición. Un aspecto en el que el elemento humano es esencial es asegurarse de que se utilice el grado correcto de fibra en el lugar correcto. Meertens dice: “La fibra de 0° es muy rígida pero no tiene una buena resistencia al impacto, por lo que, para mantener el compuesto tolerante al daño, debemos evitar poner demasiado en lugares como la parte inferior de un tubo inferior. En esta etapa sabré qué formas de capas necesito, pero ahora quiero saber cuántas de cada capa. Así que ejecuto otro programa de optimización que me dice qué tan gruesos debo hacerlos, esencialmente la cantidad de capas. Analizará entre 30 y 50 combinaciones de capas. Realizaremos el ciclo de drapeado virtual y optimización cuatro o cinco veces, ajustando las capas un poco más cada vez. Pero en algún momento tenemos que pulsar "Ir" y enviarlo.'
Guía definitiva
El programa de colocación es como un mapa en 3D, que detalla cada pieza de carbono moldeada en cada capa. “El cuadro está dividido en nueve zonas: dos tirantes, dos tirantes, pedalier, asiento, techo, dirección y tubos diagonales”, dice Meertens.‘Especificamos el dato, que es un eje, para cada zona. La orientación de cada pieza de carbono en una zona se relaciona entonces con ese dato. Un tubo descendente puede tener capas a 45°, 30° y 0° en relación con el punto de referencia local. En general, el material de mayor resistencia se utiliza fuera del eje, en ángulo. El material de mayor módulo lo usamos axialmente, a 0°.’
El archivo resultante puede tener un tamaño de hasta 100 Mb y finalmente pasa a la planta de producción. Cada trabajador de la fábrica recibe solo la parte correspondiente a la parte del marco que es responsable de crear. Esta todavía no es la producción final. El marco construido es un prototipo en esta etapa y debe probarse para garantizar que la disposición diseñada digitalmente dé como resultado un marco que funcione en la práctica. El ultrasonido, la inspección por rayos X y la disección física revelan los espesores del laminado. En otros lugares, la matriz de resina se quemará para exponer la calidad de la laminación y si el material o las fibras han migrado. Las pruebas de flexión deben mostrar los mismos resultados que el análisis FEA. Al final, sin embargo, es un humano el que lo saca de la carretera.
‘Andar en bicicleta es la única forma en que realmente podemos cuantificarlo’, dice Bob Parlee. "Podemos hacer las pruebas de flexión y carga, pero tenemos que salir y montarlo para ver si funciona como queremos". Cuando el modelo pasa la prueba, finalmente se da luz verde a la producción.
La mayor parte de la producción de bicicletas tiene lugar en el Lejano Oriente, y esto otorga una importancia aún mayor al programa de almacenamiento. El plan finamente detallado, si se sigue al pie de la letra, debería garantizar que los productos que salen de esas grandes fábricas sean gemelos idénticos de los probados y aprobados en la etapa final del prototipo. Por supuesto, la mayoría de las marcas prueban y vuelven a probar continuamente los cuadros de producción para garantizar la coherencia de modo que las bicicletas que llegan a las tiendas cumplan con las expectativas de los clientes. En la mayoría de los casos, los fabricantes también pueden rastrear todo el recorrido de un cuadro, hasta los orígenes de los primeros hilos de fibra. Lo cual es algo en lo que pensar la próxima vez que estés de pie y admirando tu orgullo y alegría.
