Os fabricantes adoram se gabar do lay-up de fibra de carbono, então o Ciclista decidiu investigar o que isso significa e como isso afeta o desempenho
Uma bicicleta, escusado será dizer, é o melhor presente de Natal de todos os tempos, mas com a possível exceção de um cachorrinho, também é o mais difícil de embrulhar. Então, tenha pena do pobre designer de quadros que tem que envolver e envolver o carbono em torno de suas curvas complexas, de modo que, quando cozido e acabado, o quadro ofereça a sensação de passeio desejada. A construção de uma estrutura de fibra de carbono é um quebra-cabeça 3D complexo que eclipsa o Cubo de Rubik.
A beleza do carbono é que, ao contrário do metal, várias peças podem ser colocadas em camadas em vários graus de interseção e sobreposição para fornecer um controle muito rígido sobre os atributos de desempenho e a força necessários em qualquer ponto de um quadro de bicicleta. A desvantagem é que o carbono é anisotrópico – é mais forte em uma direção do que em outra de maneira semelhante à madeira – o que significa que a resistência depende da direção das fibras. Para que o carbono carregue cargas significativas, as forças devem ser direcionadas ao longo de suas fibras, o que torna a direção da fibra absolutamente crucial. As seções constituintes de um quadro de bicicleta sofrem forças em várias direções, o que significa que as fibras de carbono também devem correr em várias direções. É por isso que diferentes camadas têm suas fibras em diferentes ângulos, geralmente 0° (em linha), +45°, -45°, +90° e -90°, e de fato qualquer ângulo escolhido pelos designers se criar os atributos desejados.
Nas profundezas
É assim para todos os quadros de carbono. Sob os exteriores lustrosos estão muitas camadas de peças de fibra de carbono cuja rigidez, resistência, formas, tamanhos, posições e orientações foram cuidadosamente planejadas, geralmente por uma combinação de pacotes de software de computador e experiência de engenheiros. Isso é conhecido como o cronograma de lay-up, ou apenas o lay-up. Quando o quebra-cabeça de carbono estiver concluído, a bicicleta deve ser leve, responsiva, econômica e capaz de suportar as forças mais extremas do ciclismo.
Professor Dan Adams, diretor do laboratório de mecânica de compósitos da Universidade de Utah em S alt Lake City, ele próprio um ciclista entusiasta e que esteve envolvido com o desenvolvimento dos primeiros quadros de carbono da Trek, diz que construir qualquer coisa a partir de carbono é tudo sobre o cronograma correto de lay-up. “Ele especifica a orientação de camadas individuais ou camadas de pré-impregnados de carbono/epóxi, empilhadas para formar a espessura final da peça”, diz ele. “Algumas partes da estrutura são mais fáceis de colocar do que outras. Os tubos são relativamente simples, mas as junções entre eles são algumas das camadas mais complexas que você verá em peças de produção em qualquer indústria que use carbono estruturalmente, incluindo aeroespacial e automotiva.'
A natureza anisotrópica do carbono também torna crucial a escolha do carbono certo. Na sua forma mais simples, existem duas maneiras de fornecer carbono. Unidirecional (UD) tem todas as fibras de carbono funcionando em uma direção, paralelas umas às outras. A alternativa ao UD é um tecido, ou ‘pano’. Tem fibras que correm em duas direções, passando por baixo e por cima umas das outras em ângulos retos para dar a aparência clássica de fibra de carbono. No tecido mais simples, conhecido como trama simples, as fibras se entrelaçam por baixo e por cima em cada cruzamento (chamado de '1/1') para produzir um padrão semelhante a uma grade. Existem muitos outros padrões de tecelagem possíveis. A sarja (2/2) é um pouco mais solta, então é mais fácil de drapear e facilmente reconhecível por seu padrão diagonal, que se parece com chevrons.
O módulo (uma medida de elasticidade) da fibra também é fundamental para um determinado lay-up. O módulo define o quão rígida é uma fibra. Uma fibra de módulo padrão, avaliada em 265 gigapascals (GPa) é menos rígida do que uma fibra de módulo intermediário avaliada em 320GPa. Menos carbono de módulo mais alto é necessário para fazer componentes com a mesma rigidez, o que resulta em um produto mais leve. Fibras de módulo mais alto podem, portanto, parecer a escolha preferível, mas há um problema. Uma analogia pode ser feita com um elástico versus um pedaço de espaguete. O elástico é muito elástico (tem um módulo baixo) e pode ser flexionado com muito pouca força aplicada, mas não quebrará, além de retornar à sua forma original após a dobra. O espaguete, por outro lado, é muito rígido (alto módulo), portanto, resistirá à deformação até um ponto e depois simplesmente quebrará. Os departamentos de marketing costumam se gabar da inclusão de um determinado módulo de fibra no design mais recente do quadro, mas na maioria dos casos um quadro de bicicleta é um equilíbrio cuidadoso de vários tipos de módulo dentro do lay-up para fornecer uma combinação desejável de rigidez, durabilidade e flexibilidade.
Há mais uma variável a considerar. Um único fio de fibra de carbono é extremamente fino – muito mais fino que um cabelo humano, então eles são agrupados para formar o que é chamado de “reboque”. Para bicicletas, um reboque pode conter qualquer coisa entre 1.000 e 12.000 fios, embora 3.000 (escrito como 3K) seja o mais comum.
Fibra isso, fibra aquilo
Esse é o básico, mas criar um lay-up é complicado. "Do ponto de vista de pura resistência e rigidez, o compósito ideal teria a maior proporção de fibra para resina possível e a menor curvatura na fibra", diz Peter Giddings, engenheiro de pesquisa do National Composites Centre, Bristol, que trabalhou com bicicletas e correu com eles por muitos anos. “Fibras unidirecionais, pelo menos teoricamente, são a melhor escolha para isso. Os materiais UD têm uma relação rigidez-peso aumentada na direção da fibra. Infelizmente, os compósitos UD são mais suscetíveis a danos e, uma vez danificados, são mais propensos a falhar do que os tecidos.’
Construir um quadro exclusivamente a partir de camadas de carbono UD criaria uma bicicleta perigosamente frágil, para não mencionar proibitivamente cara devido aos custos de material e homem-hora. Portanto, o carbono tecido domina e é a escolha óbvia para qualquer área onde haja curvas apertadas e formas de juntas complexas. Além do mais, as pessoas gostam de sua aparência. “Esteticamente, os materiais tecidos são considerados melhores do que os materiais unidirecionais e a percepção do público de um compósito é um tecido tecido”, diz Giddings. 'Na verdade, muitos fabricantes pintam [portanto ocultando] áreas onde a construção da estrutura impede uma aparência suave e tecida.'
A facilidade de fabricação também deve ser considerada em um cronograma de lay-up para levar em conta os custos de mão de obra. Para juntas e formas complexas, levará muito mais tempo para criar o lay-up ideal com fibras UD. É outra razão pela qual os tecidos são a escolha preferida da maioria dos fabricantes de bicicletas de carbono. “O tecido é mais fácil de trabalhar do que o UD e requer menos habilidade para ajustá-lo à forma necessária”, diz Giddings. 'UD tem uma tendência a dividir ou torcer em torno de formas complexas. Tecidos soltos se adaptam mais facilmente e a resistência geral da estrutura é menos afetada por pequenos defeitos de fabricação.’
Os fabricantes provavelmente optarão por um lay-up com tecido de carbono nas áreas mais complexas, como o suporte inferior e as junções do tubo da cabeça, mas ainda não é tão simples quanto parece porque há outro fator a considerar. “Você quer manter a continuidade da orientação da fibra não apenas em torno das junções, mas através e além delas”, diz Paul Remy, engenheiro de bicicletas da Scott Sports. 'Pode haver curvaturas complexas em uma junção, como o suporte inferior, então você precisa pensar em uma maneira de continuar a orientação das fibras, para transferir a carga por elas.'
É aqui que engenheiros de estrutura como Remy agradecem a assistência da ciência da computação. No passado, a única maneira de saber como as várias alterações do cronograma de lay-up podem afetar o resultado final era construir e testar vários protótipos, mas agora um cronograma de lay-up pode ser testado com um alto grau de precisão por computadores antes de um um único fio de fibra tocou em um molde de armação.
'Anteriormente era muito difícil saber que efeito mudar apenas uma parte do lay-up teria no desempenho do quadro', diz Remy.
Bob Parlee, fundador da Parlee Cycles, com sede em Massachusetts, lembra aqueles velhos tempos antes dos computadores fazerem todo o processamento de números com bastante carinho:, então inicialmente eu poderia resolvê-los na minha cabeça.” Parlee, desde então, admitiu que a análise de elementos finitos por computador (FEA) tem seu lugar. "Originalmente, eu não colocaria furos nos tubos da estrutura [para pontos de entrada de cabos ou suportes para garrafas] porque eram pontos fracos em potencial, mas agora a FEA nos diz o que fazer para reforçar esse furo", diz ele.
O aumento do poder de computação junto com um software cada vez mais sofisticado está permitindo que os engenheiros analisem muitos modelos virtuais em um curto espaço de tempo e ultrapassem os limites do design e dos materiais. De acordo com o engenheiro de design da Specialized, Chris Meertens, ‘Iteração é o nome do jogo. As ferramentas FEA criam um modelo representativo do quadro e o objetivo é fazer com que cada fibra seja contabilizada. O software me permite projetar cada camada, com base em um modelo de otimização para os 17 casos de carga que temos para uma estrutura de modelo.'
O que isso significa é que o software instrui Meertens quanto carbono deve haver em cada área do quadro e a orientação ideal para as fibras. A habilidade, porém, está em saber o que é e o que não é possível com o lay-up de carbono. Às vezes, o computador cospe ideais que estão longe do ideal. "Na maioria das vezes eu olho para isso e digo: 'Não há como fazer isso'", diz Meertens. 'Então eu me ocupo em software de drapejamento de laminado para cortar folhas virtuais e colocá-las em um mandril virtual, baseando-o na viabilidade de fabricação e otimizações de laminado.'
Mesmo usando software de computador, isso pode levar dias para decifrar, e ainda há um longo caminho a percorrer antes que o lay-up seja finalmente definido. Um aspecto em que o elemento humano é essencial é garantir que o grau certo de fibra seja usado no lugar certo. Meertens diz: “A fibra 0° é muito rígida, mas não tem boa resistência ao impacto, portanto, para manter o composto tolerante a danos, devemos evitar colocar muito em lugares como o fundo de um tubo inferior. A esta altura, saberei quais formas de folha eu preciso, mas agora quero saber quantas de cada folha. Então eu executo outro programa de otimização que me diz a espessura que devo fazer – essencialmente o número de camadas. Ele analisará de 30 a 50 combinações de camadas. Percorreremos o ciclo de drapeamento e otimização virtual quatro ou cinco vezes, ajustando as camadas um pouco mais a cada vez. Mas em algum momento precisamos clicar em “Go” e enviar.'
Guia definitivo
O cronograma de lay-up é como um mapa 3D, detalhando cada pedaço de carbono moldado em cada camada. “O quadro é dividido em nove zonas: duas escoras, duas escoras, suporte inferior, assento, topo, cabeça e tubos inferiores”, diz Meertens.‘Nós especificamos o datum, que é um eixo, para cada zona. A orientação de cada pedaço de carbono em uma zona é então relacionada a esse dado. Um tubo descendente pode ter camadas a 45°, 30° e 0° em relação ao datum local. Em geral, o material de maior resistência é usado fora do eixo, em ângulo. O material de módulo mais alto que usamos axialmente, a 0°.'
O arquivo resultante pode ter até 100Mb de tamanho e é eventualmente passado para o chão de fábrica. Cada trabalhador da fábrica recebe apenas a parte relevante para a parte do quadro que é responsável por criar. Esta ainda não é a execução final da produção. O quadro construído é um protótipo nesta fase e precisa ser testado para garantir que o lay-up projetado digitalmente resulte em um quadro que funcione na prática. A ultrassonografia, a inspeção por raios X e a dissecção física revelam as espessuras dos laminados. Em outros lugares, a matriz de resina será queimada para expor a qualidade da laminação e se o material ou as fibras migraram. Os testes de flexão devem mostrar os mesmos resultados que a análise FEA. No final, porém, é um humano que o leva para a estrada.
‘Andar de bicicleta é a única maneira de realmente quantificá-lo ', diz Bob Parlee. "Podemos fazer os testes de flexão e carga, mas precisamos sair e montá-lo para ver se ele funciona como queremos." Quando o modelo é aprovado, a produção finalmente recebe luz verde.
A maior parte da produção de bicicletas acontece no Extremo Oriente, e isso dá ainda mais importância ao cronograma de lay-up. O plano minuciosamente detalhado, se seguido à risca, deve garantir que os produtos que saem dessas grandes fábricas sejam gêmeos idênticos aos testados e aprovados no estágio final do protótipo. É claro que a maioria das marcas testam e retestam continuamente os quadros de produção para garantir a consistência, de modo que as bicicletas que chegam às lojas atendam às expectativas dos clientes. Na maioria dos casos, os fabricantes também podem rastrear toda a jornada de um quadro, até as origens dos primeiros fios de fibra. O que é algo para se pensar na próxima vez que você estiver de pé e admirando seu orgulho e alegria.
