Hars is de onbezongen held die je carbonframe bij elkaar houdt, en het is net zo cruciaal voor de prestaties
Vraag de meeste roadies waar hun fietsframe van is gemaakt en het antwoord zal waarschijnlijk 'carbon' zijn. Vraag het aan iedereen die betrokken is bij het maken van fietsframes (of andere producten gemaakt van dit geweven wondermateriaal) en je krijgt een complexer antwoord.
'In de fietsindustrie horen we meestal praten over koolstof, maar dat is eigenlijk te simplistisch - een generalisatie', zegt Thomas Leschik, hoofd engineering bij de Duitse wielfabrikant Lightweight. ‘Het is eigenlijk een matrix van koolstofvezels en epoxyhars. De nauwkeuriger term is CFRP - koolstofvezelversterkte kunststof.’
Dus onze felbegeerde rossen zijn niet meer dan versterkte plastic fietsen. Het is een simpele afkorting en verklaart in grote mate het belang van harsen - het plastic (of polymeer) deel van CFRP. In wezen geeft de hars het composietmateriaal zijn stijfheid. Zoals Phil Dempsey van Aprire, een bedrijf dat gespecialiseerd is in koolstofvezelfietsen, het stelt: 'Koolstofvezel is puur een stof. Alleen is het maar een stuk stof.'
Als het gaat om productbeschrijvingen en het bijbehorende marketingverhaal, wordt het merk of type koolstofvezel (bijv. Toray, T800, 65HM1K, ultrahoge modulus) routinematig genoemd als het fundamentele kenmerk van de kenmerken van het eindproduct. Het is alsof er niets anders in het spel is, maar in feite vormen de vezels iets meer dan de helft van het framemateriaal. De rest is de epoxyhars, die duidelijk een belangrijke rol moet spelen in hoe een moderne fiets presteert. Waarom vermeldt de marketingfolder het dan zelden?
Het ABC van CFRP
| CFRP |
Koolstofvezelversterkte kunststof (of polymeer). Het composietmateriaal waarnaar wordt verwezen naar als koolstof of koolstofvezel. |
| Cure |
Het proces van het toepassen van warmte en vaak druk op een CFRP-structuur om dete 'zetten' hars en geef het afgewerkte stuk stevigheid. |
| Vezel | Koolstofstrengen die aan elkaar zijn geweven of gebreid om het versterkende element van een CFRP-structuur te creëren. Vaak ‘filamenten’ genoemd. |
| Schimmel | De fysieke component waarin en waaromheen koolstofvezelplaten worden gelegd om het frame te creëren. |
| Ply boek | In wezen een boek met veredelde naaipatronen. Deze beschrijven hoe elk afzonderlijk stuk koolstofvezel wordt gesneden en geassembleerd, en het zijn de best bewaarde geheimen. |
| Pre-preg | Vellen koolstofvezeldraden geïmpregneerd met niet-uitgeharde hars. |
| Hars | Een vloeibaar polymeer dat wordt gebruikt om vezels aan elkaar te binden binnen een CFRP-structuur. |
Voorkennis
Om de rol van hars in een afgewerkte koolstofvezelfiets te begrijpen, moeten we het fabricageproces begrijpen en begrijpen hoe de hars erin is verwerkt.
In wezen zijn er twee soorten koolstofvezelconstructies: nat en droog. Voor natte fabricage koopt een bedrijf koolstofvezeldoek dat al is geïmpregneerd met hars, bekend als pre-preg. Deze plakkerige vellen worden in of rond een mal gelegd en vervolgens uitgehard met behulp van warmte en druk om stijfheid in te brengen. De fabricagetechniek met droge harsinfusie kan twee verschillende vormen aannemen. De eerste is vergelijkbaar met de manier waarop pre-preg-productie plaatsvindt, met gesneden vormen van droge doek die over een mal worden gelegd, waarbij de hars wordt toegevoegd als onderdeel van het uithardingsproces. De tweede techniek, die wordt gebruikt door bedrijven als Time en BMC (met zijn Impec-fietsen), houdt in dat een doorlopende buisvormige sokachtige structuur over een mal in één lengte wordt uitgerekt. Vanaf hier wordt de hars onder druk toegevoegd aan de reeds gevormde vormen.
Giant is het enige merk dat al zijn eigen carbon pre-preg-producten van 'spoel tot finish' vervaardigt - dat wil zeggen dat het zijn koolstofvezel koopt als een draad op grote spoelen, zijn eigen hars toevoegt en gaat verder met de productie van zijn frames, staven, stuurpennen en accessoires. Giant lijkt dus een goed bedrijf om te vragen naar het belang van harsen.
De product- en trainingsmanager van het VK, David Ward, zegt: 'Ons koolstofvezelfilament wordt rechtstreeks van Toray ['s werelds grootste koolstofvezelproducent] naar de spoelkamer geleverd. Van daaruit wordt het aan de weefgetouwen geregen en geweven tot enorme koolstofdoeken. Na het weven wordt de hars toegevoegd. De hars zit in een trog boven de rolconstructie en wordt op het bewegende doek geleid, via rollen op de filamenten aangebracht.' Het proces is eenvoudig en de techniek die door Giant wordt gebruikt, is vrijwel identiek aan die van alle fabrikanten van pre-preg koolstofvezel. Maar hoewel de mechanica eenvoudig is, zijn de nauwkeurigheid, herhaalbaarheid en controle van vitaal belang voor de integriteit van het eindproduct.
‘De hars moet tussen elk filament vloeien en perfect coaten’, zegt Ward. 'Een goede harsdistributie is essentieel om een goede pre-preg uit het einde van een productielijn te krijgen.' Dempsey van Aprire voegt eraan toe: 'Het is zo belangrijk dat de hars door de lagen gaat. Als je de hars verkeerd hebt, heb je een gebarsten frame. Het is echt cruciaal.'
In het heetst van de strijd
'Omdat hars na uitharding 40% uitmaakt van een Giant-frame, is de hars een zeer belangrijk onderdeel', zegt Ward. 'Als het eenmaal thermohardend [uitgehard] is, is het de hars die de structuur stijfheid geeft.' Naast de fundamentele structurele eigenschappen speelt hars nog een cruciale rol. Dempsey zegt: 'Je moet spanningen van het ene deel naar het andere overbrengen. Het zijn harsen die de overdracht van belastingen tussen de vezellagen mogelijk maken.’
Verschillende harsen hebben invloed op de prestaties van het eindproduct. Dempsey zegt: 'Als de hars te stroperig is, loopt hij niet door de koolstof en krijg je vezels die elkaar raken. Idealiter wil je ze minutieus gescheiden houden.’
Dan is er de kwestie van samendrukbaarheid, die de dikte van koolstofstructuren beïnvloedt. ‘Verschillende toevoegingen in de hars zullen de samendrukbaarheid beïnvloeden’, zegt Dempsey.‘Afhankelijk van de eigenschappen van de hars kun je een andere laagdikte krijgen. Over het algemeen zullen goedkopere harsen dikker zijn. Met een goede hars kunnen de koolstofvezels microns uit elkaar liggen. Dat geeft je dunnere muren voor dezelfde sterkte-eigenschappen, wat een lichter frame betekent. Een goedkopere hars laat meer materiaal achter tussen vezels en lagen.’
Omdat Giant volledig in eigen huis produceert, heeft het zijn eigen harsen kunnen ontwikkelen. Ward zegt: 'We zijn nu bezig met onze derde generatie harsontwikkeling. De kleinere details van het vorm- en uithardingsproces hebben allemaal te maken met de eigenschappen van de hars - de temperatuur waarop het afgaat en het tijdstip waarop de uitharding duurt.' Vanwege de brede prijsklasse van zijn koolstofproducten gebruikt Giant twee soorten hars. 'Onze standaardhars wordt gebruikt op alle productlijnen behalve de Advanced SL-producten', zegt Ward. ‘Voor de Advanced SL gebruiken we een nanotechnologisch additief. Nanodeeltjes verhogen de slagvastheid van onze frames met 18% zonder een negatief effect op de stijfheid of het gewicht. Ze kosten echter veel meer.’
Een extra bijproduct van de deeltjes is een verbeterde wandverdichting tijdens de uitharding. ‘Door de nanodeeltjes vult de hars de microholtes in de lay-up. De hars vloeit eigenlijk beter, waardoor de kans op holtes wordt verkleind en de wanddikte wordt verminderd, ' voegt Ward toe.
De rol van hars bij het verminderen van holtes is een belangrijk punt in de structurele integriteit van een frame, zoals Dempsey uitlegt. 'Leegtes in de hars zijn gaten die stress verzamelen', zegt hij. 'Dit zijn potentieel faalpunten en holtes falen door uit elkaar te waaien als de lagen delamineren. Je kunt nog steeds delaminatie krijgen zonder holtes, maar je wilt minimale luchtbellen in het composiet nastreven.’
Naast belastingoverdracht, wanddikte en robuustheid, kunnen harsen een effect hebben op het rijgedrag van de fiets. Dempsey zegt: 'Vanuit een eenvoudig oogpunt kun je harsen zien als een tweecomponenten Araldite-achtig product met een hars en een verharder. De hoeveelheid verharder die met een bepaalde hars wordt gebruikt, kan een aanzienlijk effect hebben op de rijkwaliteit. Voor een goed fietsframe heb je wat flex nodig in een uitgeharde hars om de overdracht van spanningen tussen lagen koolstofvezel mogelijk te maken. Je kunt dit krijgen door een sterkere hars te gebruiken met minder verharder. Slimme ontwerpers kunnen een stijvere of meer conforme structuur krijgen voor een bepaald gewicht. Je kunt niet vertrouwen op een hars voor stijfheid, maar als ingenieur moet je je bewust zijn van de potentiële eigenschappen die de hars kan toevoegen aan een afgewerkte structuur.'
Harsen zijn duidelijk belangrijk voor de kwaliteit van het afgewerkte frame, dus we komen terug op de vraag waarom we er zo weinig over horen.
‘Hars is een toelating, geen stuurprogramma voor functies’, zegt Dempsey. ‘Met hars kunnen we de verschillende lagen koolstofvezel aan elkaar binden – bijvoorbeeld T700 tot T800 – om gebruik te maken van de verschillende eigenschappen die de vezels voor ons hebben. Het is moeilijk te verkopen en erg moeilijk om te draaien, maar de rol die ze spelen mag niet worden onderschat.'
Giant's David Ward verwoordt het beknopter: 'Harsen zijn slechts een lijm. Ze zijn gewoon niet sexy.'
Heet van het moment
Aangezien de meeste fietsfabrikanten pre-preg carbon gebruiken, zijn hun keuzes beperkt in termen van het gebruik van hars om de prestaties van een frame te beïnvloeden. Maar dat weerhoudt mensen er niet van om op zoek te gaan naar nieuwe richtingen, of om hars- en pre-preg-bedrijven ertoe aan te zetten verschillende producten te produceren.
Dempsey zegt: 'We werken eraan om partners zover te krijgen dat ze een hars produceren die niet bederft bij kamertemperatuur. Een beperkende factor bij het ontwerp is dat zodra je pre-preg uit de koude opslag ha alt, het begint te drogen aan de lucht. Het zal nooit helemaal hard worden buiten de droogoven, maar het zal "afgaan". Een pre-preg die ons in staat stelde een complexer lay-upproces te gebruiken en ons lagenboek [zie woordenlijst, links] tot het gewenste niveau te ontwikkelen, zou ons in staat stellen veel meer uit ons eindresultaat te halen. Dat zou geweldig zijn voor ons.’
Een gebied waar harsen een grote rol spelen, is de fabricage van koolstofwielen. Hier zijn harsen de sleutel, niet alleen voor de structurele integriteit en stijfheid van het wiel, maar ook voor de remprestaties.
Lightweight's Leschik zegt: 'Het zwakste punt van een hars is het temperatuurgedrag. De meeste harsen hebben problemen boven 150°C. In de afgelopen 10 jaar hebben we de temperatuurbestendigheid van onze harsen verdrievoudigd.’
Bijna elke fietser zal wel eens een horrorverhaal hebben gehoord over een carbon wiel dat tijdens een lange afdaling kapot gaat door warmteophoping, maar wat gebeurt er eigenlijk als het remblok de velg raakt? Leschik zegt: 'Tribologie is de wetenschap en techniek van op elkaar inwerkende oppervlakken in relatieve beweging. Het omvat de studie en toepassing van de principes van wrijving, smering en slijtage. Remmen op een CFRP-velg met rubberen remblokken in natte of droge omstandigheden is zo'n tribologisch systeem. De optimalisatie van dit systeem voor goede remprestaties is niet mogelijk zonder hittebestendige harsen.’
Net als bij frameprestaties, zijn het additieven in de harsen die bijdragen aan de hittebestendigheid en aan de prijs. Een zo'n additief is een keramisch - silica. Hoewel Aprire geen wielen maakt, begrijpt Dempsey het proces: 'Harsen maken een enorm verschil in een carbon velgstructuur. Het toevoegen van silica onttrekt bijvoorbeeld een aanzienlijke hoeveelheid warmte aan het lichaam van de structuur en zorgt ervoor dat de luchtstroom de velg veel beter kan koelen dan bij een standaard CFRP-velg. Koper zou een geweldig additief zijn omdat het enorme hoeveelheden warmte kan opnemen, maar het is mogelijk dat zwavel in de hars uitspoelt als er vocht binnenkomt via microscheurtjes. Dit zou tot vrijwel zekere delaminatie leiden. Koellichamen - mazen in de hars - hebben een groot potentieel. Deze technologie kan heel goed komen.'
Lichtgewicht's Leschik heeft ook een groot vertrouwen in harsontwikkelingen: 'We kijken naar de optimalisatie van de velgremmende velgen. Met slimme harsen zijn we er zeker van dat we de rijder dezelfde remprestaties kunnen geven als schijven zonder een extra gram gewicht.'
De harde waarheid
Het is duidelijk dat hars een onbezongen held is van het fietsbouwproces. Het kan de stijfheid, robuustheid, gewicht, veiligheid en prijs van koolstofvezelproducten beïnvloeden, dus kunnen we verwachten dat fabrikanten lyrisch gaan worden over de wonderen van hun plakkerige spul? Waarschijnlijk niet, want het is nog steeds maar een onderdeel van een complex systeem. Hars van hoge kwaliteit compenseert geen slechte kwaliteit koolstofvezel of ongeïnspireerde constructietechnieken. Zoals Leschik van Lightweight het stelt: 'Het is elke keer hetzelfde: om een mooie cake te bakken heb je de juiste ingrediënten nodig in de juiste verhouding, goed gemaakt.'
Koolstofjargon: wat betekent het allemaal?
