Fascynacja postępem i high-tech otacza karbon nimbem niesamowitości. Jego pęd ku zwycięstwu zdaje się być nie do powstrzymania. Prześwietliliśmy czarny materiał gruntownie, pokazujemy jego mocne i słabe strony. Na początku naszego raportu specjalnego zaglądamy do warsztatu legendarnych kół Lightweight. Okazuje się, że to marzenie wielu kolarzy wymaga przede wszystkim jednego – precyzyjnej, ręcznej roboty. Przedmioty pożądania stoją przy wejściu do przedsiębiorstwa w jednym rządku. Dwanaście słynnych kół, które sprawiły, że budynek na terenach przemysłowych, na skraju Friedrichshafen, stał się Mekką dla wielu sportowców z całego świata. Ich nazwa to jednocześnie obietnica – Lightweight (niska waga). Od dziesięciu lat jeździ na nich w profesjonalnym sporcie każdy, kto należy do ścisłej czołówki. Lista klientów rozciąga się od A jak Armstrong do Z jak Zabel. Dla producenta tych upragnionych kół, jak dla Boga, wszyscy kupujący są równie ważni. Wysyłka jest możliwa tylko po zapłacie z góry, bez względu na to, czy zamawia je mistrz okręgu, czy też wielokrotny zwycięzca Touru. Firma nazywa się Carbon Sports, a na szyldzie zobaczyć można „Transport lotniczy i kosmiczny”. Jeśli w ogóle są tu jakieś wskazówki odnoszące się do produktów high-tech, to właśnie te. W drodze ku halom produkcyjnym wyostrzony wzrok błądzi w poszukiwaniu monitorów komputerowych i animowanych, trójwymiarowych obiektów na nich. Zamiast tego pojawia się wrażenie zabłąkania w pracowni krawieckiej. Na dużych, wysokich stołach leżą szablony i nożyce, pomieszane z rolami miękkiego i połyskującego żółto materiału, które po przecięciu wędrują na inne stoły, gdzie kładzie się je na formach. „To jest kevlar” – mówi szef firmy Erhard Wissler i pokazuje na żółtą tkaninę. „Produkujemy z niego opancerzenie do drzwi niemieckich limuzyn. Klasa ochrony 4” – dodaje wyjaśniająco – „wystaczająca, by zatrzymać kulę rewolwerową. Większość z tego opancerzenia wędruje do Rosji”.

Piec high-tech

W zadaszonym, przeszklonym łączniku, będącym przejściem do następnej hali, w końcu jakieś ślady oczekiwanej techniki. Duży, cylindryczny zbiornik ciśnieniowy wypełnia pomieszczenie. Ma długość sześciu i średnicę około dwóch metrów, można go podgrzewać. Jest to tak zwany autoklaw, w którym hartuje się karbonowe części, ale ciągle żadnych kół. Właśnie pracownicy wkładają do rur grzewczych przez pancerne drzwi formy z tworzywa, z których powstaną zaczepy komputerowego tomografu. Obok autoklawu czeka na wypełnienie kolejna forma z tworzywa. Kontur zdradza, że powstaje w niej Total Eclipse, jedna z ostatnich karbonowych ram o aerodynamiczno-organicznych kształtach. W temperaturze 120°C i pod ciśnieniem 12 atmosfer „pieczona” jest w tym wielkim piecu. Formę pokrywa kurz, wydaje się być od dłuższego czasu nieużywana. Potem Erhard Wissler pokazuje, gdzie powstają mityczne koła. Wskazuje na skrzynie z drewna sosnowego, ponumerowane ręcznie pisakiem od „1” do „6”. W każdym z tych pudeł znajduje się wiele grzałek, które rozgrzewają koła do 120°C. Dzięki zawiasom da się podnieść pokrywy i zobaczyć stalowe formy, w których prażą się koła. Stalowe formy są drogie, wytwarzane tylko do produktów wypuszczanych w dużych ilościach. Mimo tego nadal ani śladu high-techu, choć Erhard Wissler mówi: „To postęp. Na początku konstruktorzy Lightweighta swój piec z drewna i papy ogrzewali za pomocą przerobionego ogrzewania z samochodu ciężarowego”.

Bawarska klasa światowa

Nic dziwnego. Koła zostały wynalezione nie przez konstruktorów rakiet, lecz przez bawarskich rzemieślników. Obaj wytwórcy narzędzi, Rudolf Dierl i Heinz Obermayer, właściwie przypadkowo zajęli się rowerową tematyką. Obok swojej właściwej pracy zawodowej budowali koła do wózków w wyścigach kłusaków. Znajomy podsunął im pomysł, by spróbować także złożyć podobne dla kolarzy. Na początku lat 90. stworzyli dzięki zręczności i zdrowemu rozsądkowi, za pomocą relatywnie prostych środków, pierwsze szprychowane koła wykonane całkowicie z kompozytów. Produkt światowej klasy, który zdecydowanie wyprzedzał swoje czasy. W momencie gdy Jan Ullrich w 1997 wygrał na nich Tour de France, mogli pożegnać się z miłym, popołudniowym majsterkowaniem. Dierl i Obermayer stali się niewolnikami produktu, który odniósł sukces. Świat chciał Lightweighta, praktycznie za każdą cenę. Przez lata szukali kupca na swoją produkcję, aż w końcu w 2003 roku poznali Erharda Wisslera.

Koło ratunkowe

Szef Carbon Sports określa negocjacje dotyczące sprzedaży jako „twarde i suche”. Możemy mówić o wszystkim, ale nie o cenie – powinien był dodać. Ale Wissler, który swoją firmę Carbon Sports kupił niewiele wcześniej, pilnie potrzebował nowego produktu, który zapewni mu sukces. Koła Lightweight okazały się oczekiwanym kołem ratunkowym dla jego firmy. Nie tanim, ale wartym swojej ceny. Okres oczekiwania na dostawę 12 tygodni! Produkt, który sprzedaje się właściwie sam. Wissler miał szczęście, że Reinner Lebherz z banku w Tailfingen jeździ na szosówce. Gdy w poszukiwaniu kapitału zaniósł do banku swój szlachetny, karbonowy rower na kołach Lightweight, rozbłysły oczy jego rozmówcy. Kolarz Lebherz zaakceptował biznesplan, pieniądze popłynęły, a produkcja przeniosła się z Monachium nad Jezioro Bodeńskie. Wszystko jak „kot w worku”. Wissler wiedział wprawdzie, jaki produkt kupuje, ale miejsce produkcji zobaczył dopiero po sfinalizowaniu transakcji. Zbyt wielki był strach Dierla i Obermayera, że nowy posiadacz po prostu skopiuje ich pomysły, bez płacenia. Konstrukcja nie jest chroniona żadnymi patentami, czy też wzorami, wystarczyć musi tylko tajny i skomplikowany proces produkcji. W jasnej hali nowej ojczyzny Lightweighta pracownicy patrzą na zegarek. Minęła godzina, nowe koła zahartowały się w skrzyniach. Stalowa forma dzięki kółkom może być teraz przepchnięta w inną część pomieszczenia, pod wentylator tłoczący chłodne powietrze. Oziębiona forma zostaje otwarta i za pomocą drewnianego klina i odrobiny siły świeże koło jest wyjmowane. Obręcz, kołnierze piast, szprychy (jeszcze bez napięcia) – uwielbiany przedmiot nie wygląda zbyt ekscytująco, raczej surowo, typowo dla karbonowych produktów. Nadmiar żywicy, która wyciekła z formy, musi być usunięty. Brakuje też misek piast, zostaną wklejone później.

Trening dla ekspertów

Kiedy nowi właściciele lekkich kół po raz pierwszy zobaczyli, jak bawarscy wynalazcy laminują sztukę żywicą na mokro z pędzlem w dłoni, byli trochę zawiedzeni antyczną techniką. „Niezły przekładaniec” – mówi Wissler. Nie bez dumy, choć może odrobinę zbyt często, pracownicy Carbon Sports podkreślali, że spełniają standardy jakości przemysłu lotniczego. „Dziś jesteśmy Stradivariusem w dziedzinie budowy kół rowerowych” – cieszył się jeden z nich, Cesar Soares. Wkrótce ludzie Wisslera przekonali się jednak, że dwaj rzemieślnicy swój proces produkcyjny doprowadzili do perfekcji jako wyjątkową i kompletną mieszankę doświadczenia, intuicji i improwizacji, oraz o tym, że koło Lightweight powstaje w bardziej skomplikowany sposób, niż większość części samolotów. Anton Reichle, najstarszy stażem ekspert od włókien w Carbon Sports, z 30-letnim doświadczeniem w technice lotniczej i kosmicznej, mówi: „Od tych dwóch mógłbym się jeszcze czegoś nauczyć”. Przede wszystkim na temat oszczędnego użycia żywicy, przecież koła nie powinny nagle ważyć 150 g więcej. „Żałowanie” żywicy nie należy co prawda do popularnych technik przy laminowaniu, ale ludzie Wisslera uczą się zmieniać poglądy. W końcu przecież stabilność kół została już sprawdzona i nie ma co do niej żadnej wątpliwości. Najwyższej jakości ręczna robota. Nawet po dwóch tygodniach treningu prowadzonego pod kierunkiem Dierla i Obermayera technicy Carbon Sports nie byli w stanie wypuścić prostych kół. „Gdyby ci dwaj po dwóch tygodniach wprowadzenia opuścili nas, tak, jak było w umowie, stanęlibyśmy przed prawdziwym problemem” – wspomina Wissler. Oczywiście twórcy chcieli jednak, by produkcja była kontynuowana. Dlatego też Heinz Obermayer tak długo ćwiczył z zespołem każdy ruch ręką, aż z form zaczęły wychodzić koła najwyższej jakości, do jakiej klienci już się przyzwyczaili. Mistrzowie nie spadają z nieba, nawet jeśli jest to przemysł kosmiczno-lotniczy.

Długie oczekiwanie

Interes się kręci, w przeciągu jednego roku zdolności produkcyjne wzrosły sześciokrotnie. Każdego dnia we Friedrichshafen wypieka się sześć kół, niedługo liczba ma wzrosnąć do ośmiu. Czas dostawy, który w międzyczasie zdążył się już skrócić do trzech miesięcy, znów wzrósł, ponieważ podaż stymuluje popyt. Kolarze czekają sześć miesięcy na koła Lightweight. „Mamy w planach stworzenie minimalnego zapasu, gdyby Ullrich czy Zabel nagle ich potrzebowali”. Heinz Obermeyer, ojciec założyciel marki, ciągle współpracuje z teamem. Precyzyjnie rzecz biorąc stał się jego częścią i został współwłaścicielem. Zajął się też konstrukcją jeszcze lżejszego zestawu kół, zwanego „Edition Obermayer”. Oczywiście wszystko wykonywane jest ręcznie. Ręczna robota High-Tech.

Ewolucja karbonu

Przegląd historii i spojrzenie na aktualny stan techniki

Pierwsze ramy z karbonu pojawiły się na początku lat 80. W 1983 team Peugeot jechał w Tour de France na ramach, których cienkie karbonowe rury połączone były za pomocą aluminiowych muf. Oczywiście nie miało to nic wspólnego z właściwościami materiału, nie udało się także spełnić oczekiwań w nim pokładanych. Równolegle do tradycyjnych konstrukcji od połowy lat 80. zaczęły powstawać ramy różniące się od klasycznych z dwóch trójkątów. Masywne, organiczne „pudła” Bianchi i Colnago w pełniejszy sposób wykorzystywały możliwości tkwiące we włóknach, miały świeży i ekscytujący wygląd. W końcu lat 80. ewolucja przyspieszyła. W 1988 narodowa ekipa NRD w wyścigu drużynowym w Seulu użyła w pełni karbonowych maszyn. Potem proces rozwoju poszedł dwutorowo – zaczęto produkować tradycyjne w kształcie, ale coraz lżejsze i sztywniejsze modele, z drugiej zaś strony awangardowe w formie, dążące do poprawienia aerodynamiki i komfortu jazdy ramy. Na krótko przed tym, jak technika karbonowa zdążyła się upowszechnić, co zostało zasygnalizowane przez model Y-Foil Treka, UCI po prostu odcięła całą gałąź. Od 1 stycznia 2000 zakazano stosowania w wyścigach wszystkich ram o innych niż tradycyjne kształtach. Odtąd prace rozwojowe koncentrują się przede wszystkim na tym, by klasyczne ramy uczynić lżejszymi i jednocześnie sztywniejszymi (z wartymi uwagi sukcesami w niektórych przypadkach). Pierwsze seryjne ramy z karbonu przekroczyły już granicę 1000 g. Jednocześnie większość z oferowanych kompozytowych modeli nie może równać się pod względem jakości z dobrymi modelami aluminiowymi. W związku z narastaniem aktualnego trendu podnoszone są też ciągle zdolności produkcyjne w głównym kraju wytwarzającym ramy, czyli Chinach, co powinno spowodować spadek cen. Ze względu jednak na to, że ich produkcja jest bardziej pracochłonna niż proces produkcji ram aluminiowych, zawsze będą droższe, także w dłuższej perspektywie czasowej.

Ramy z włókien Jak to się robi?

W mufach

Przygotowane wcześniej karbonowe rury łączy się za pomocą aluminiowych bądź karbonowych muf. Trekowi już w 1991 roku udało się jako pierwszemu dystrybutorowi użyć karbonowych muf w seryjnej produkcji. Rama OCLV, jakiej używa Armstrong podczas Tour de France, tylko drobnymi szczegółami różni się od tego praprzodka. Inny słynny przedstawiciel tej metody produkcji to Colnago C40. Aluminiowe mufy nie odgrywają już praktycznie żadnej roli. Dla odmiany karbonowe umożliwiają między innymi pewną interesującą wariację. W systemie DCS Dedacciai budowniczowie ram mogą wybierać nawet kąty, pod jakimi łączone będą rury z włókien. Zaleta: Niskie koszty wytwarzania różnych rozmiarów ram. Wada: Przerwany jest optymalny dla przekazywania sił przebieg włókien. Z połówek Rama powstaje po sklejeniu dwóch wypieczonych w formach połówek. Często używane dla tak powstałych ram określenie „Monocoque” w gruncie rzeczy jest fałszywe. Wadą tej techniki jest fakt, iż włókna na całej długości połączenia mają przerwany przebieg, tylko klej trzyma połówki razem. Całość funkcjonuje tylko wtedy, gdy powierzchnia połączenia ma wystarczającą wielkość. Trudno jest więc wykorzystać możliwość obniżenia wagi ramy. Zaleta: Prostsza produkcja niż prawdziwego „monokoka”. Wada: Nie wszystkie siły przebiegają zgodnie z obciążeniami przez klejony szew.

Monocoque

Prawdziwy „monokok” to rama wykonana od razu, z jednej części, może to być jej fragment. Istnieją np. klasycznie wyglądające ramy wykonane w ten sposób, w których doklejono lub też dolaminowano tylny trójkąt. „Monokoki” wytwarza się zazwyczaj w podgrzewanych formach. W środku znajduje się worek napełniany powietrzem albo też rdzeń rozszerzający się pod wpływem temperatury, które to dociskają włókna w negatywnej formie i zacieśniają połączenie włókien. Metoda ta jest obecnie w natarciu, ponieważ umożliwia w końcu (w Chinach) relatywnie tanią seryjną produkcję. Zaleta: Mało miejsc połączeń. Wada: Ekstremalnie wysokie koszty formy. Rura do rury W metodzie tej wcześniej przygotowane rury są dokładnie frezowane na końcach, dopasowywane i w końcu klejone. Finalnie miejsca połączeń owijane są karbonowymi włóknami lub wzmacniane karbonowymi warstwami materiału. Metody tej użył naukowiec Juergen Heberle w swoim prototypie, który ważył mniej jak 1000 g. Scott przejął i udoskonalił tę technikę, wprowadzając do seryjnej produkcji ramy CR1, które także ważą mniej niż 1000 g. Zaleta: Optymalny stosunek wagi do sztywności, dowolny wybór geometrii. Wada: Skomplikowana konstrukcja.

Najlepszy materiał na lekkie ramy?

W karbonie tkwi duży potencjał do budowania lekkich ram – tu wszyscy specjaliści są zgodni. Szacuje się, że w porównaniu do ram aluminiowych da się zaoszczędzić około 30% masy, jeśli będzie się brało pod uwagę w konstrukcji wszystkie własności materiału. Wśród 10 najlżejszych, testowanych przez niemiecki magazyn Tour, ram, siedem zostało wykonanych z karbonu. To, że materiał dotąd nie jest wykorzystywany w sposób optymalny, pokazuje wartość STW (stiffness to weight), zestawiająca sztywność główki sterowej z wagą ramy (jest to wyznacznik inteligencji konstrukcji). W tym zestawieniu znalazły się tylko 3 karbonowe ramy wśród pierwszych dziesięciu. Jak donoszą najnowsze testy (Tour 1/2005), ramy karbonowe wypadają zadziwiająco słabo. Średnia wartość STW dla 20 rowerów wynosiła 55, była zdecydowanie niższa niż w przeciętnej ramie aluminiowej. Prawdopodobnie dopiero pojawią się w sprzedaży ramy wykonane w technologii „tube to tube” (rura do rury), które poprawią ten stan.

„Można robić wiele bezsensownych rzeczy”

Rozmowa z Mikiem Burrowsem, designerem, twórcą kompaktowych ram Gianta Co sądzi Pan o karbonowej euforii? Ludzie oszaleli. W większości przypadków od strony mechanicznej nie ma to wprawdzie żadnego sensu, ale jest ok, jeśli dzięki temu sprzedają się rowery. Piękny przykład to karbonowe błotniki. Karbon nadaje się do płaskich, dużych rzeczy. Nie ma sensu używać go do małych, w taki sam sposób jak metalu. Podobają się Panu aktualne modele ram karbonowych? Od strony konstrukcji rowery Gianta są bardzo dobre, a UCI nie pozostawia żadnych możliwości, by iść dalej. Nie ma podstaw, by robić lepsze rowery. Gdyby zaprezentowało się coś szybszego, doskonalszego, zostałoby to zakazane przez UCI. Tak już jest. Można robić takie rzeczy jak Colnago – otwory w widełkach tylnego trójkąta – co jest trudne, ale też bezsensowne. Prawdopodobnie jednak także w ten sposób można sprzedawać rowery. Co sądzi Pan o roli UCI? UCI nie rozumie swojej roli. O co chodzi w profesjonalnym sporcie? O sprzedaż produktów, a właśnie temu przeszkadza UCI ze swoją polityką. Funkcjonariusze zdają się nie rozumieć, że potrzebny jest dynamiczny postęp. Co może zrobić lepiej światu niż sprzedaż większej liczby rowerów? Potrzebny jest do tego jednak image, podobnie jak Ferrari ma go w sporcie motorowym. Przemysł rowerowy tego nie rozumie. Gdzie byli wszyscy inni producenci, gdy Giant walczył z UCI? Gdzie był Specialized, Cannondale, Trek? Poza Cinelli nikt nas wówczas nie wsparł.

„Fałdy to ryzyko”

Rozmowa z Peterem Denkiem, projektantem Scotta Co jest głównym problemem w obróbce karbonu? Problem to zmuszenie włókien do pracy, wszystkich na raz. Da się je obciążyć tylko w kierunku wzdłużnym, gdy są naprężone. W monokokach marszczenie się włókien to ryzyko. Gdzie rama jest skomplikowana, np. w okolicach główki sterowej, nie da się go praktycznie uniknąć. Aby to skompensować, trzeba położyć wiele warstw, wówczas zachowamy wytrzymałość. W jaki sposób Scott przekroczył granicę 1000 g? Produkujemy ramy w 100% bez fałd! Rozpoczyna się od prostych, precyzyjnie zbudowanych rur, których włókna w trakcie produkcji są napinane. Nasza tajemnica firmowa to jednak metoda, dzięki której jednocześnie podgrzewamy i poddajemy wpływowi ciśnienia miejsca połączeń, oczywiście owijając je wcześniej dodatkową warstwą. Czy są naśladowcy? To szalone, jak szybko nasze metody zostały skopiowane. Można zobaczyć u konkurencji skok z 1600 na 1100 g. W jaki kierunku podąży teraz rozwój? Rama i widelec, ważące razem poniżej 1000 g, to piękny cel, ale bardzo, bardzo trudny do osiągnięcia. Czy przeszkadzają Panu ograniczenia dotyczące kształtu ramy narzucone przez UCI? To bardzo zły pomysł. Możemy budować tak fantastyczne ramy. Kolarze mogliby odnieść wiele korzyści, gdyby dano nam wolną rękę, np. przy tworzeniu specjalnej amortyzacji do szosówek.

Czarna różnorodność

W rowerze oprócz łańcucha, trybu i zacisków wykonano już z karbonu praktycznie wszystkie części. Nie zawsze ma to jednak sens. Proponujemy mały przegląd. Pełne koło Klasyk: koło Campagnolo zbudowane jest z fragmentów przypominających kawałki tortu, wszystkie są naprężone. Od wielu lat używa się go w jeździe na czas. Pełne koło porusza mniej powietrza niż szprychy i dlatego ma zalety aerodynamiczne. Bez karbonu nie sposób byłoby zbudować podobnych kół. Potencjał oszczędzania: w takich kołach waga jest nieistotna, liczy się aerodynamika. Siodełko Więcej folii niż siodła. Chude 47 g waży Concord, model, jaki przygotowała firma Tune we współpracy z Beckerem, specjalistą od karbonu. Potrzebna sztywność jest osiągana dopiero po naprężeniu w jarzemku sztycy. Radykalna konstrukcja odpowiadająca własnościom włókien. Potencjał oszczędzania: dokładnie 140 g w porównaniu z siodłami tradycyjnymi. Podeszwa Shimano opowiada chętnie o swojej wyrafinowanej technice kucia, a do karbonu, jak dotychczas, ma podejście raczej zdystansowane. Jeden z nielicznych wyjątków to podeszwy niektórych modeli butów. Dzięki konstrukcji kanapkowej (sandwich) Shimano osiąga bardzo wysoką sztywność przy niskiej wadze. Jeszcze ważniejsza niż waga jest trwałość sztywności podeszwy w porównaniu z niewzmacnianymi tworzywami. Potencjał oszczędzania: mały. Manetki szosowe W klamkomanetkach Campagnolo używa dwóch różnych rodzajów karbonu. Ich korpus i manetki przerzutek zbudowane są z wzmocnionego krótkimi włóknami termoplastu. Dźwignie hamulcowe to dla odmiany klasyczna karbonowa część na bazie żywicy epoksydowej. Gdy jest zimno, dźwignie są milsze w dotyku, a korpus pomaga obniżyć wagę w stosunku do wcześniejszych modeli aluminiowych. W razie upadku, niestety, łatwo je połamać, bo ich mechaniczna odporność jest niewielka. Potencjał oszczędzania: przy 20 g na parę niewielki. Kierownica Model szosowy Spurtstark Schmolke waży jedynie 162 g przy szerokości 44 cm. Testy dowodzą jednocześnie, że jest bardziej wytrzymały niż inne, cięższe modele. W karbonowych kierownicach szczególnie wrażliwe jest miejsce połączenia z mostkiem, Schmolke wzmacnia je za pomocą stalowej tulei. Potencjał oszczędzania: ok. 80 g w porównaniu z modelem aluminiowym wysokiej jakości.

Wskazówki ekspertów

Problemy z karbonem to najczęściej błędy w montażu. Większość problemów występuje przy sztycach, kierownicach i mostkach z karbonu. Materiał reaguje wrażliwie na nacisk przez nierówne (a takie są zazwyczaj) obejmy. Dlatego też często zdarza się, że komponenty pękają od razu przy montażu i dociąganiu śrub. Często dochodzi też do uszkodzeń, których od razu nie widać. Części mogą „wyzionąć ducha” później, w czasie jazdy.

Jak obchodzić się z karbonem?

• Przy montażu sztyc, rur sterowych, kierownic nie używa się żadnych smarów!
• Sztyc karbonowych używa się tylko wtedy, gdy rama jest do tego przystosowana – nie ma miejsc punktowych obciążeń.
• Należy przestrzegać zalecanych przez producentów wskazań siły, z jaką dokręcamy śruby.
• Nigdy nie używa się karbonowych części w połączeniu z klinowymi zaciskami (mają je np. niektóre rodzaje mostków).

Wartości wewnętrzne

Charakteru nie da się ocenić na podstawie wyglądu, a jakości komponentów kompozytowych z zewnątrz. W przypadku metali wszystko jest jasne. Większy przekrój rury oznacza wyższą sztywność. Ten efekt „oversizingu” wymusza wygląd współczesnych aluminiowych ram, ponieważ sztywność wzrasta geometrycznie wraz z powiększaniem średnicy, a tylko linearnie przy pogrubianiu ścianek. Pozwala to uzyskać maksymalną sztywność przy minimalnej masie. Zasada ta dotyczy także rur karbonowych, ale dochodzi do tego tyle czynników, że niemożliwe staje się ocenienie wartości produktu tylko na podstawie zewnętrznego kształtu. Wynika to z tego, że konstruktorzy mogą określić nie tylko zewnętrzną strukturę materiału, ale też wewnętrzną. W tej mocy twórczej leży siła, ale też ryzyko! Podczas gdy właściwości metali w niewielkim tylko stopniu wynikają z kierunku (da się na nie wpłynąć np. przez kucie), kompozyty są bardzo podatne na kierunek działania sił, mogą je nawet wzmacniać przez ułożenie włókien. Dzięki ułożeniu konstruktor określa mechaniczne właściwości, nie tylko przez nadanie kształtu. Poza tym użyć można włókien o bardzo różnych właściwościach fizycznych. Prowadzi to do tego, że dwa zewnętrznie identyczne komponenty mogą mieć zupełnie różne cechy, np. jeden dwukrotnie sztywniejszy od drugiego. Aby skonstruować część z karbonu tak, by wytrzymywała siły na nią działające, trzeba wiedzieć, jak działają te siły i jaką mają wielkość. Jeśli chce się np. uzyskać szczególnie sztywną rurę, stosuje się jednokierunkowe wstęgi w obciążanym miejscu. Jeśli główne obciążenia polegają na skręcaniu, jak np. w korbie, włókna powinny się krzyżować pod kątem 45°, by optymalnie przyjmować siły. Zazwyczaj jednak działających sił nie da się określić dokładnie, pokrywają się nawzajem mocniej lub bardziej, trzeba więc przez różnorodne ułożenie włókien zapewnić wytrzymałość części. Jeśli chcemy uzyskać niską wagę, konieczne jest wstępne dokładne rozpoznanie działających sił. Z powodu takich właściwości i w związku z tym, że z zewnątrz zazwyczaj widać tylko wykończenie, nie sposób jest na podstawie wyglądu ocenić potencjału tkwiącego w karbonowych komponentach. Pilne studiowanie materiału nie opłaca się, decydują konstrukcja i jakość wykonania. Rama z karbonu może mieć grube rury i mimo tego być miękka, a widelec z wąskimi ramionami ekstremalnie sztywny. Tylko test może wyjaśnić, co konstrukcji udało się wydobyć z materiału.

Podobny wygląd – inne właściwości

W widelcach karbon jest stosowany bardzo chętnie. Ze swoją wagą od 300 do 550 g są one lżejsze niż modele aluminiowe. Bontrager RaceXXXLite okazuje się być wyjątkowo komfortowy i zrównoważony, a wizualnie bardzo podobny. Stiletto jest szczególnie sztywny i niekomfortowy. Co do wagi widelce różnią się tylko o kilka gramów. Wykresy pokazują różnicę.

Włókno włóknu nierówne

Pojedyncze włókno węglowe, które powstaje przez zwęglenie syntetycznego włókna (produkt wyjściowy nazywa się poliakrylonitryl, standardowo używany w przemyśle tekstylnym), ma grubość 7 tysięcznych milimetra. Jego właściwości fizyczne sprawiają, że nie może z nim konkurować najlepsza stal. Jest czterokrotnie sztywniejszy i siedmiokrotnie bardziej wytrzymały, ważąc przy tym pięć razy mniej. Od 1 000 do 30 000 pojedynczych włókien tworzy razem mocne wstęgi, z których powstają tkaniny lub inne wielo- albo jednokierunkowe struktury (włókna przebiegają w tym samym lub w różnych kierunkach). Klasyczny karbonowy wygląd osiąga się przez takie ułożenie wstęg, że przeplatają się pod kątem prostym – zwykle ma to jedynie charakter dekoracyjny. Włókna wraz ze spoiwem tworzą kompozyt, zwany karbonem. Spoiwo to zazwyczaj żywica epoksydowa, która ma za zadanie utrzymać włókna w określonym miejscu i jednocześnie przenosić siły między kolejnymi warstwami. Włókna są w stanie przenosić siły wzdłużne, rozciągające, dlatego trzeba je ułożyć dokładnie tak, by wspomniane siły mogły być odpowiednio przyjęte. Oczywiście łatwiej jest to osiągnąć wtedy, gdy znamy dokładny przebieg sił. Gdy działają ze wszystkich możliwych kierunków i pokrywają się, jak w mostku, karbon nie ma żadnych przewag w porównaniu z metalami. Istnieją różne techniki łączenia włókien tworzywa w całość. Przy produkcji ram często stosuje się technikę zwaną Prepregs. Włókna impregnuje się żywicą, która aktywuje się dopiero pod wpływem ciśnienia i temperatury. Wówczas się hartuje. Po przeciwnej stronie znajduje się klasyczne laminowanie na mokro, gdy żywica nanoszona jest na włókna za pomocą pędzla. Jej przemysłowy wariant to RTM (Resin Transfert Molding) – tu wstrzykuje się pod ciśnieniem i w określonej temperaturze żywicę w zamkniętą formę, gdzie włókna otaczają rdzeń z gąbki. Metody takiej używa producent ram i widelców Time. Ponieważ tworzywo w porównaniu z włóknami ma ekstremalnie niską wytrzymałość, próbuje się utrzymać jak najniższy jego procent w produkcie finalnym. W zależności od metody produkcji część ta wynosi 40 do 65%. W zależności od potrzeb używa się włókien o różnej sztywności i wytrzymałości, odgrywa też przy tym rolę cena. Bardzo sztywne mogą kosztować 15 razy więcej niż „zwykłe” włókna. Obok karbonu używa się także innych technicznych włókien, takich jak szkło albo aramid (kevlar). Włókien kevlarowych używa się chętnie jako wartswy ochronnej, ponieważ nie są tak kruche jak karbon. Włókna szklane są tanie i dają się łatwo farbować. W mniej obciążanych częściach, takich jak korpusy manetek czy pedały, używa się tzw. termoplastów. Są to dające się znów ogrzać (powtórnie użyć) tworzywa, najczęściej wzmacniane krótkimi włóknami karbonowymi. Żywice epoksydowe należą do duroplastów i nie mogą być ponownie wykorzystane. Kierunek jest istotny. Jednokierunkowe struktury sprawiają, że części są odporne na gięcie; aramidowe tkaniny służą jako ochrona, a karbonowe używane są do ozdoby.

Fakty

Wszystkie właściwości mechaniczne dotyczą nagich, karbonowych włókien. Dane finalnego tworzywa są zdecydowanie gorsze. Gęstość: 1,76 g/cm3 Elstyczność: 230000 do 650000 N/mm2 Wytrzymałość: 2700 do 6400 N/mm2 Plusy + bardzo sztywne + bardzo mocne + dowolny kształt + odporne na korozję + wytrzymałe Minusy – mechaniczne właściwości mocno zależą od kierunku ułożenia włókien – łatwo pękają przy zgięciach – brak możliwości powtórnego przetworzenia Podsumowanie: Kompozyty karbonowe mają fenomenalne właściwości mechaniczne, które, jeśli są użyte we właściwych komponentach, pozwalają na budowę bezkonkurencyjnie lekkich części. W porównaniu z aluminium da się zrzucić przeciętnie do 20, 30% wagi.