A resina é o herói desconhecido que mantém sua estrutura de carbono unida e é igualmente crucial para o desempenho
Pergunte à maioria dos roadies de que é feito o quadro da bicicleta e a resposta provavelmente será "carbono". Pergunte a qualquer um que esteja envolvido na fabricação de quadros de bicicletas (ou mesmo outros produtos feitos desse material maravilhoso tecido) e você terá uma resposta mais complexa.
'Na indústria de bicicletas, geralmente ouvimos falar de carbono, mas na verdade isso é muito simplista - uma generalização ', diz Thomas Leschik, chefe de engenharia da fabricante alemã de rodas Lightweight. “Na verdade, é uma matriz de fibras de carbono e resina epóxi. O termo mais preciso é CFRP – plástico reforçado com fibra de carbono.’
Então nossos corcéis altamente cobiçados são pouco mais do que bicicletas de plástico reforçadas. É uma abreviação simples e explica bastante a importância das resinas – que são a parte plástica (ou polímero) do PRFC. Essencialmente, a resina dá ao material compósito sua rigidez. Como diz Phil Dempsey, da Aprire, uma empresa especializada em bicicletas de fibra de carbono, “a fibra de carbono é puramente um tecido. Sozinho é apenas um pedaço de pano.'
Quando se trata de descrições de produtos e o discurso de marketing que o acompanha, a marca ou tipo de fibra de carbono (por exemplo, Toray, T800, 65HM1K, módulo ultra alto) é rotineiramente anunciada como a característica fundamental das características do produto acabado. É como se não houvesse mais nada em jogo, mas na verdade as fibras compõem pouco mais da metade do material do quadro. O resto é a resina epóxi, que claramente deve desempenhar um papel importante no desempenho de uma bicicleta moderna. Por que, então, a sinopse de marketing raramente menciona isso?
O ABC do PRFC
| CFRP |
Plástico Reforçado com Fibra de Carbono (ou polímero). O material compósito referido to como carbono ou fibra de carbono. |
| Cura |
O processo de aplicação de calor e muitas vezes pressão a uma estrutura de CFRP para 'definir' o resina e confere rigidez à peça acabada. |
| Fibra | Fios de carbono que são tecidos ou tricotados juntos para criar o elemento de reforço de uma estrutura de PRFC. Muitas vezes chamados de "filamentos". |
| Mold | O componente físico dentro e ao redor do qual as folhas de fibra de carbono são colocadas para criar a estrutura. |
| Livro dobrado | Essencialmente um livro de padrões de costura glorificados. Eles detalham como cada peça individual de fibra de carbono é cortada e montada, e são os segredos mais bem guardados. |
| Pré-preg | Folhas de fios de fibra de carbono impregnadas com resina não curada. |
| Resina | Um polímero líquido usado para unir fibras dentro de uma estrutura CFRP. |
Conhecimento Privilegiado
Para entender o papel da resina em uma bicicleta de fibra de carbono acabada, precisamos entender o processo de fabricação e como a resina é incorporada a ela.
Em essência, existem dois tipos de construção em fibra de carbono: úmida e seca. Para a fabricação a úmido, uma empresa adquire tecido de fibra de carbono já impregnado com resina, conhecido como pré-impregnado. Essas folhas pegajosas são colocadas dentro ou ao redor de um molde e depois curadas usando calor e pressão para instilar rigidez. A técnica de fabricação de infusão de resina seca pode assumir duas formas diferentes. A primeira é semelhante à maneira como a fabricação de pré-impregnados ocorre, com formas cortadas de pano seco sobre um molde, com a adição de resina como parte do processo de cura. A segunda técnica, usada por empresas como Time e BMC (com suas bicicletas Impec), envolve o alongamento de uma estrutura tubular contínua em forma de meia sobre um molde em um único comprimento. A partir daqui, a resina é adicionada sob pressão às formas já formadas.
Giant é a única marca que fabrica todos os seus próprios produtos pré-impregnados de carbono do 'spool ao acabamento' – ou seja, compra sua fibra de carbono como um fio em carretéis grandes, adiciona sua própria resina e passa a fabricar seus quadros, barras, hastes e acessórios. A Giant, então, parece uma boa empresa para se perguntar sobre a importância das resinas.
Seu gerente de produto e treinamento do Reino Unido, David Ward, diz: ‘Nosso filamento de fibra de carbono é entregue diretamente da Toray [o maior produtor de fibra de carbono do mundo] para a sala de carretel. De lá, é enfiado nos teares e tecido em enormes folhas de tecido de carbono. É após a tecelagem que a resina é adicionada. A resina fica em uma calha acima do conjunto do rolo e é passada para o tecido em movimento, aplicada aos filamentos por meio de rolos.' O processo é simples, e a técnica usada pela Giant é praticamente idêntica à usada por todos os fabricantes de fibra de carbono pré-impregnada. Mas embora possa ser simples em sua mecânica, a precisão, repetibilidade e controle são vitais para a integridade do produto acabado.
‘A resina tem que fluir entre e revestir cada filamento perfeitamente’, diz Ward. “Uma boa distribuição de resina é vital para obter um bom pré-impregnação no final de uma linha de produção.” Dempsey da Aprire acrescenta: “É tão importante que a resina passe pelas camadas. Se você errar a resina, você tem uma moldura rachada. É realmente crítico.'
No meio disso
‘Como a resina compõe 40% de uma armação gigante após a cura, a resina é uma parte muito importante ', diz Ward. “Uma vez que é termofixa [curada], é a resina que dá rigidez à estrutura.” Além das propriedades estruturais básicas, a resina desempenha outro papel vital. Dempsey diz: ‘Você precisa transferir o estresse de uma parte para outra. São as resinas que permitem a transferência de cargas entre as camadas de fibras.’
Diferentes resinas afetarão o desempenho do produto final. Dempsey diz: ‘Se a resina for muito viscosa, ela não passará pelo carbono e você acabará com as fibras se tocando. Idealmente, você os quer minuciosamente separados.'
Depois há a questão da compressibilidade, que afeta a espessura das estruturas de carbono. “Diferentes aditivos na resina afetarão a compressibilidade”, diz Dempsey.‘Você pode obter uma espessura de camada diferente dependendo das características da resina. Geralmente, as resinas mais baratas serão mais espessas. Com uma boa resina, as fibras de carbono podem ser mícrons de distância. Isso oferece paredes mais finas para as mesmas qualidades de resistência, o que significa um quadro mais leve. Uma resina mais barata deixa mais material entre as fibras e as camadas.’
Como a Giant fabrica totalmente internamente, conseguiu desenvolver suas próprias resinas. Ward diz: ‘Estamos em nossa terceira geração de desenvolvimento de resina agora. Os menores detalhes do processo de moldagem e cura estão todos relacionados às propriedades da resina - a temperatura em que ela sai e o tempo de cura.' Devido à ampla faixa de preço de seus produtos de carbono, a Giant usa dois tipos de resina. “Nossa resina padrão é usada em todas as linhas de produtos, exceto nos produtos Advanced SL”, diz Ward. “Para o Advanced SL, usamos um aditivo de nanotecnologia. As nanopartículas aumentam a resistência ao impacto de nossos quadros em 18% sem nenhum efeito negativo na rigidez ou no peso. Eles custam muito mais.'
Um subproduto adicional das partículas é a melhor compactação da parede durante a cura. “As nanopartículas permitem que a resina preencha os micro vazios no lay-up. A resina flui melhor, reduzindo o potencial de vazios e reduzindo a espessura da parede”, acrescenta Ward.
O papel de uma resina na redução de vazios é um ponto chave na integridade estrutural de um quadro, como explica Dempsey. “Vazios na resina são buracos que acumulam estresse”, diz ele. “Esses são pontos de falha em potencial, e os vazios falham ao explodir à medida que as camadas se descamam. Você ainda pode obter delaminação sem vazios, mas deve visar bolsas de ar mínimas no composto.'
Além da transferência de carga, espessura da parede e robustez, as resinas podem afetar o passeio da bicicleta. Dempsey diz: “De um ponto de vista simples, você pode pensar em resinas como um produto de dois componentes do estilo Araldite com uma resina e um endurecedor. A quantidade de endurecedor usada com uma determinada resina pode ter um efeito substancial na qualidade do passeio. Para um bom quadro de bicicleta, você precisa de alguma flexibilidade dentro de uma resina curada para permitir a transferência de tensões entre as camadas de fibra de carbono. Você pode obter isso usando uma resina mais forte com menos endurecedor. Projetistas inteligentes podem obter uma estrutura mais rígida ou mais conformada para um determinado peso. Você não pode confiar em uma resina para rigidez, mas, como engenheiro, precisa estar ciente das propriedades potenciais que a resina pode adicionar a uma estrutura acabada.'
As resinas são claramente importantes para a qualidade do quadro finalizado, então voltamos à questão de por que ouvimos tão pouco sobre elas.
'A resina é uma permissão, não um driver de recurso', diz Dempsey. “A resina nos permite unir as diferentes camadas de fibra de carbono – por exemplo, T700 a T800 – para usar as diferentes propriedades que as fibras nos apresentam. É difícil de vender e muito difícil de girar, mas o papel que eles desempenham não deve ser subestimado.'
Giant’s David Ward coloca de forma mais sucinta: ‘As resinas são apenas uma cola. Eles simplesmente não são sexy.'
Calor do momento
Dado que a maioria dos fabricantes de bicicletas usa carbono pré-impregnado, suas escolhas são limitadas em termos de uso de resina para afetar o desempenho de um quadro. Mas isso não impede as pessoas de buscarem novos rumos ou de pressionar as empresas de resina e pré-impregnados a produzir produtos diferentes.
Dempsey diz: ‘Estamos trabalhando para conseguir parceiros para produzir uma resina que não desprende à temperatura ambiente. Um fator limitante com o design é que assim que você tira o pré-impregnado de seu armazenamento a frio, ele começa a curar ao ar. Ele nunca ficará totalmente duro fora do forno de cura, mas “apagará”. Um pré-impregnado que nos permitiu usar um processo de lay-up mais complexo e desenvolver nosso livro de dobras [veja o glossário, à esquerda] no nível que queremos, nos permitiria obter muito mais do nosso resultado final. Isso seria brilhante para nós.'
Uma área onde as resinas desempenham um papel importante é na fabricação de rodas de carbono. Aqui as resinas são fundamentais, não apenas para a integridade estrutural e rigidez da roda, mas também para o desempenho de frenagem.
Leschik, da Lightweight, diz: ‘O ponto mais fraco de uma resina é seu comportamento à temperatura. A maioria das resinas tem problemas acima de 150°C. Nos últimos 10 anos, triplicamos a resistência à temperatura de nossas resinas.’
Quase todo ciclista já ouviu uma história de horror sobre uma roda de carbono falhando em uma longa descida devido ao acúmulo de calor, mas o que realmente acontece quando a pastilha de freio encontra o aro? Leschik diz: “Tribologia é a ciência e a engenharia de superfícies que interagem em movimento relativo. Inclui o estudo e aplicação dos princípios de atrito, lubrificação e desgaste. A frenagem em um aro CFRP com pastilhas de freio de borracha em condições úmidas ou secas é um desses sistemas tribológicos. A otimização deste sistema para um bom desempenho de freio não é possível sem resinas resistentes a altas temperaturas.’
Assim como no desempenho do quadro, são os aditivos nas resinas que aumentam a resistência ao calor e o preço. Um desses aditivos é uma cerâmica – sílica. Embora a Aprire não faça rodas, Dempsey entende o processo: “As resinas fazem uma enorme diferença em uma estrutura de aro de carbono. Por exemplo, a adição de sílica retira uma quantidade substancial de calor do corpo da estrutura e permite que o fluxo de ar resfrie o aro muito melhor do que com um aro de CFRP padrão. O cobre seria um ótimo aditivo, pois tem a capacidade de atrair grandes quantidades de calor, mas há potencial para que o enxofre seja lixiviado na resina se a umidade entrar através de micro rachaduras. Isso levaria a delaminação quase certa. Dissipadores de calor – malhas dentro da resina – têm grande potencial. Essa tecnologia pode vir.'
Leschik, da Lightweight, também tem grande fé no desenvolvimento de resinas: ‘Estamos analisando a otimização dos aros de frenagem. Com resinas inteligentes, temos certeza de que podemos dar ao ciclista o mesmo desempenho de freio que os discos sem um único grama extra de peso.'
A dura verdade
É claro que a resina é um herói desconhecido do processo de construção de bicicletas. Isso pode afetar a rigidez, robustez, peso, segurança e preço dos produtos de fibra de carbono, então podemos esperar que os fabricantes comecem a falar sobre as maravilhas de suas coisas pegajosas? Provavelmente não, porque ainda é apenas uma parte de um sistema complexo. Resina de ótima qualidade não compensará fibra de carbono de baixa qualidade ou técnicas de construção sem inspiração. Como diz Leschik, da Lightweight, "É sempre a mesma coisa: para cozinhar um bom bolo, você precisa dos ingredientes certos na proporção certa, bem feitos."
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