¿Que es exactamente la fibra de carbono?

Bicicleta Trek Madone de Fibra de Carbono

Bicicleta Trek Madone de Fibra de Carbono

Excelente articulo  sobre ese gran desconocido para muchos que es la fibra de carbono. 

Antes que nada, agradecer a la revista Mountain Biker por esta información.

Texto de Albert Roncero, agradecimiento a Berria Bike, articulo de  la Revista Mountain Biker Nº 27

Este mes vamos a explicar que es el carbono, de donde viene y cuales son sus principales características, esas que lo hacen tan especial para un ciclista, Nuestra intención es la de revelar, de la manera mas divertía posible, porque el carbono nos tienes hipnotizados, pasen y lean:

El origen del carbono. 

La fibra de carbono es relativamente joven. El 1958 Roger Bacon (OHIO, USA) crea las primeras fibras de alto rendimiento mediante calentamiento de filamentos de rayon hasta carbonizarlos, dando el pistoletazo de salida a la evolución de la fibra de carbono. Desde sus inicios, la fibra de carbono esta relacionada con la industria militar, como casi todo los avances tecnológicos de nuestra época (Internet, Teflom, GPS, Velcro…) dado su elevado coste de investigación y desarrollo. A principios de los años sesenta, el Ministerio de Defensa del Reino Unido ya trabajó en el, autorizando su uso a tres empresa británicas: Rolls Royce, Morganita y Courtaulds. Durante la década de los setenta  los trabajos experimentales para encontrar materias primas alternativas consiguieron mejorar el proceso de creación de fibras de carbono a partir de una brea de petróleo, derivada de la transformación del petróleo, que contenía alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión. Ya se  estaba empezando a ver la gran cantidad de propiedades que tenía el carbono.

Pasaron 20 años desde el descubrimiento de Bacon hasta que apareció el primer cuadro de bicicleta en fibra de carbono. La empresa Toray (Japón), en colaboración con la italiana Alan, especialista en cuadros de aleaciones ligeras, creo en 1978 el primer cuadro de fibra de carbono mediante tubos pegados a racores de aluminio. Desde entonces, la industria deportiva no ha parado de innovar a través de la la fibra de carbono, mejorando el proceso y consiguiendo resultados impensables hasta hace unos pocos años. Para hacernos una idea, la empresa Textreme Oxeon (Suecia) ha conseguido mejorar el proceso creando el Textreme, aplicado desde 2011 en la Formula 1 por el equipo Red Bull, con unos resultados  excelentes. En la Actualidad, el carbono sigue evolucionando gracias a las grandes marcas del sector como son Toray, Toho-Tenax, Mitsubishi, Rayon Co, SGL, Hexcel, Cytec o Zoltec.

¿Que es exactamente la fibra de carbono?

La fibra de carbono es una fibra sintética fabricada a partir  del poliacrilonitrilo que esta compuesta por miles de fibras. Tiene propiedades similares a las del acero, pero con un peso similar al de la madera y con una mayor resistencia al impacto que el propio acero. Las fibras de carbono tienen dos propiedades básicas que las hacen especialmente interesantes en la construcción de cuadros y componentes de bicicleta.  Por una parte tienen propiedades anísotropas, lo que básicamente significa que trabajada una sola dirección (unidireccional). Para mejorar sus propiedades de resistencia y elasticidad, se sobreponen sus capas, logrando propiedades isótropas, que lo hacen flexible y resistente en diferentes direcciones. Además, el carbono tiene otro tipo de propiedades mecánicas, como son la densidad lineal, la tenacidad a la ligadura, la resistencia a la rotura y la tensión o enlogacion, que lo convierte en uno de los mejores materiales para la construcción de estructuras. Además, es resistente a las variaciones de temperatura y tiene buenas propiedades ínifugas.

Procesos de fabricación del carbono

Para fabricar fibra de carbono se necesita un polímero llamado poliacrilonitrilo, que tras calentarlo y oxidarlo sucesivamente va formando anillos y liberando nitrógeno, hasta convertirlo en unas cadenas adyacentes que se unen entre si.

Una vez trabajada la materia prima, se pasa al hilado en bobinas. Las fibras de carbono puede ser sometidas a un tratamiento superficial que aporta una mejora de las cualidades de manejo, para ser enrolladas posteriormente en las bobinas. Estás se encargan de hilar los hilos de fibra de carbono. La fibra de carbono se vende en el mercado en forma de hilos para fabricar material compuesto, siendo los tamaños típicos del hilo 1K, 3K, 6K, 12K, 24K, 48K, 120K, 320K etc. (K=1.000 filamentos).

Una vez conseguida la bobina de hilo de carbono, se procede a su tejido. Según su orientación, puede ser unidireccional, bidireccional, biaxiales, triaxiales y cuadriaxiales, ésta última con propiedades mecánicas muy similares en cualquier dirección. Para unir las diferentes partes de carbono producido se suele utilizar resinas del tipo epoxi (tienen buen comportamiento  a temperaturas elevadas) o resinas con Nanotubos CNT(más ligeras), pudiendo unir las diversas partes. Existen otras fibras como la de vidrio, de basalto, la de de boro, fibras cerámicas o la armada (Kevlar) que se utiliza conjuntamente con la fibra de carbono para la construcción de monoplazas de F1, llantas de bicicletas, barcos o raquetas de tenis. Todas ellas hacen que el carbono tenga unas propiedades concretas, mejorando el resultado final según convenga.

Los inicios de las bicis de carbono

 A finales de los años 80 y principios de los 90 se empezaron a producir los primeros monocascos o cuadros fabricados en una sola pieza. Para su fabricación se impregnaba capas de carbono con resina epoxi, que posteriormente se cocían en un molde. En muchos casos, los cuadros superada los dos kilos de peso, por lo que a mitad de los 90 se volvió a imponer la fabricación tubo a tubo (T2T), pero esta vez con racores de carbono, que mejoraban las prestaciones de los racores de aluminio. En estos años, el aluminio y el titanio tuvieron un auge en la fabricación de cuadros para bicicleta, ya que eran más baratos y se conseguían cuadros más ligeros. Hasta 2010 aproximadamente, este proceso de fabricación se mantuvo en activo, creando cuadros que rondaban un peso de 1.5 kilos. Desde los inicios de este siglo, se empezó a utilizar el sistema mixto, que combinaba el uso de T2T con monocasco por encaje de piezas de carbono. En este sistema se fabrican los elementos en moldes, se pega entre ellos con resina epoxi y posteriormente se cuecen en horno hasta polimerizar las partes en contacto. Es un sistema de fabricación práctico que conseguía pesos que según el carbono empleado variaba entre los 900 Y los 1600 gramos.

Desde finales de los 90 hasta nuestros días, el sistema más utilizado ha seguido siendo el T2T , ya que conseguía alcanzar la máxima relación entre peso/resistencia. Según el carbono utilizado, estos cuadros podían alcanzar pesos más ligeros, oscilando entre 1300 y los 800 gramos.

Sin embargo, en los últimos años y en cuadros de gama media y alta, se está imponiendo un método conocido como monocasco híbrido de última generación. Básicamente, se trata de una fabricación monocasco en la parte delantera y uno T2T en las vainas, pero con algunas particularidades. El monocasco se fabrica juntando una serie de piezas prefabricadas, construidas mediante láminas de carbono posicionadas de una forma específica y con unos espesores concretos, iguales al número de láminas que se van juntando.

 Juntadas las láminas, mientras se monta se pasan por su interior unas vejigas, el airbag, que son las encargadas de realizar presión hacia el molde, una presión que realizan durante todo el proceso de cocción. Durante la cocción, se insufla aire al airbag para que imprima presión al cuadro desde su interior hacia la pared del molde metálico externo. Esta presión, de 12 kilos aproximadamente, permite que el cuadro tome sus formas y diámetros correctos. Después, durante la cocción, hasta los 100°, la resina se hace líquida y con la presión se consigue evacuar el exceso de resina. De este modo se optimiza la laminación de las distintas capas de carbono. Cuando se llega a los 100- 200 grados, aproximadamente, se produce la polimerización de la  resina, con la que está se solidifica y el cuadro se cristaliza. Este proceso de polimerizacion dura unos 15-20 minutos. La siguiente fase es la de enfriamiento, lenta y gradual, en la que conviene bajar progresivamente la temperatura para evitar torsiones y deformaciones indeseables del cuadro. Y cuando éste llega a una temperatura de 50-60° se retira del molde y luego se procede a su lijado, dando por terminada la cocción. Este proceso tiene una duración de 60-90 minutos.

Posteriormente las piezas del cuadro se lijan y se mecanizan. Y luego se pegan entre sí en planchas específicas, con el fin de mantener toda la simetría de la bici.

Con este tipo de proceso se ha conseguido cuadros más ligeros que en algunos modelos llegan hasta los 650 g de peso (siempre hablando de los modelos más ligeros de bicis de carretera).

Proceso de diseño de un cuadro de carbono

 Diseñar un cuadro de carbono desde cero es una tarea muy compleja. Suele requerir infinidad de proyectos y pruebas para conseguir el resultado final deseado. Para empezar, lo más importante es tener la idea a partir de la cual se definirán las características de la bicicleta y se procederá  a su diseño. Una vez  hecho esto, se  pasa al diseño en 2D y 3D, con sus correspondientes convalidaciones.

Conseguido esto, se pasa a la fase de creación del prototipo, que se suele construir  en resina, para hacer simulaciones en túnel de viento o para las primeras muestras en las presentaciones.

El siguiente paso es el estudio del laminados LSD (Layup Schedule Development) y la realización del Ply Book. En éste punto se escoge el tipo de carbono, sus capas, cantidad y disposición para conseguir los objetivos del diseño original.

Definido el protocolo de la laminación, con el Ply Book hay que formar personal de la fábrica para que sepa cómo fabricar ese modelo concreto y que ese protocolo se convierta en una práctica, que debe respetar minuciosamente el proceso de fabricación para llegar a la excelencia.

Para la fabricación del molde, normalmente se opta por el acero invar, que tiene el mismo coeficiente de dilatación del carbono, en grandes tiradas, o en una aleación de aluminio, pequeñas series. El primer prototipo de cuatro construido asegurará su buen funcionamiento en base a la forma, hermeticidad del molde y otros parámetros básicos.

Siempre se opta por la talla intermedia, la M. Con el primer cuadro cocido que salga de este molde se hace las primeras valoraciones de tipo superficial (formas, arrugas, burbujas de aire. Etc.) Y se procede a su mejora en un segundo cuadro-prototipo. En este ya se intenta mejorar el cuadro a través de la disposición de las fibras de carbono, el aspecto más técnico.

Una vez superado este paso se procede a un tercer cuadro-prototipo, que está orientado a conseguir los valores torsionales y de peso asignados en la face conceptual del proyecto. Normalmente en el tercer cuadro-prototipo ya están superados los protocolos de seguridad y calidad, aunque siempre pueden ir mejorando a medida que avanza el proyecto. Normalmente el cuarto cuadro-prototipo suele ser el definitivo. Es donde aparece el cuadro con todos los requisitos plasmados en el proyecto inicial, pero si el proyecto es muy complejo se puede utilizar más cuadros-prototipo hasta conseguir los resultados deseados.

Con el producto final se procede a su homologación, debiendo pasar por muchos controles de calidad, dependiendo de si el cuadro es para carretera o montaña y del país en el que se venderá. Además, las fábricas suelen hacer sus propios test, enfocados a mejorar sus productos de cara a nuevas versiones.

Una vez superados todos estos puntos se obtiene el cuadro definitivo, que será sometido a todo tipo de pruebas reales, sobre todo en carrera. También, internamente, las fabricas se preparan formando más personal y preparando sus instalaciones para una producción en gran serie.

A modo de conclusión

Como veréis, fabricar una bici de carbono no es para nada sencillo y se necesita una buena dosis de tiempo, maquinaria, dinero y experiencia. Entre esto y que los materiales y maquinaria utilizados son muy caros, ya tenemos una idea de por que las bicis de carbono son tan caras. ¿Os imaginaos cuanto es el tiempo medio de desarrollo en un proyecto de cuadro rígido de carbono? Pues ese proceso suele durar entre 40 y 45 semanas. Esto teniendo en cuenta que es un cuadro rígido, así que imaginad lo que debe costar hacer uno doble de Enduro o DH.

Así pues, la próxima vez que veamos el precio de un cuadro de carbono y digamos eso de “¡que caro!”, ya sabremos el porque.

 


 
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