Considerações iniciais:
Escolher o tipo de material para construir determinado produto muitas vezes não é uma tarefa fácil, devido à variedade de opções existentes, como aço, alumínio, fibra ou mesmo a combinação de todos eles. Apesar da maior parte desses materiais estarem no mercado há várias décadas e não incluírem modificações substanciais em sua formulação básica ou no seu manuseio, é surpreendente notar que a maior parte das pessoas não possui um conhecimento correto sobre o uso de cada um deles.
As fibras de carbono são produzidas pela oxidação controlada, carbonização e grafitização de precursores orgânicos de carbono, sendo que dentre todos eles a poliacrilonitrila é mais usual, pois fornece uma boa média de propriedades mecânicas de tração, compressão e módulos de elasticidade.
O primeiro cientista a patentear o uso de fibras de carbono foi Thomas Edison em 1877, que utilizou filamentos dessas fibras para produzir filamentos elétricos. Entretanto somente em 1959 uma empresa americana desenvolveu um processo econômico para a carbonização de fibras acrílicas de rayon, e logo em seguida uma empresa japonesa produziu filamentos de carbono a partir da poliacrilonitrila (PAN). Mas só em 1967 foi produzida a primeira tonelada de fibras de carbono experimental para o laboratório da força aérea inglesa. A preços da época um quilo de fibra de carbono custava 100 dólares. As fibras de carbono são atualmente produzidas por mais de uma dúzia de fabricantes e variam de acordo com suas propriedades mecânicas e o sistema de produção. A maioria das fibras é produzida a partir de um componente básico conhecido com poliacrilonitrila (PAN). Dependendo do tipo de tratamento da fibra básica, que inclui carbonização, grafitização e oxidação, é possível fabricar fibras de carbono em diversas configurações de resistência. Algumas delas podem chegar a ser várias vezes mais resistentes que o aço, e sua cor natural é preta.
As fibras de carbono podem ser encontradas em quatro principais tipos e qualidades, dependendo de suas propriedades: Alta Resistência (HS – High Strength) ou Módulo Comercial, Módulo Intermediário (IM – Intermediary Modulus), Alto Módulo (HM – High Modulus) e Módulo Superior (UHM – Ultra High Modulus). Nos últimos, HM e UHM, as superfícies dos filamentos são ligeiramente oxidadas para melhorar a adesão entre fibra e a resina.
Os filamentos de carbono têm um diâmetro de 1 a 11 mícrons e são normalmente agrupados em até 18 mil filamentos. Os tecidos usados na construção de barcos têm geralmente de 3mil (3K) a 12mil (12k) filamentos por cabo, e quanto maior o número de filamentos, menor o custo final do material. A densidade do carbono varia entre todos os seus tipos, mas na maior parte das vezes está localizada entre a do vidro e a do Kevlar. A resistência à tração é compatível com os vidros R e S e é superior a qualquer outro tipo de fibra quando é necessário se obter maior rigidez à fadiga e à vibração. Elas são, contudo, fibras que desenvolvem em conjunto com outros tipos de fibra, com o vidro R e o Kevlar, a fim de aumentar a sua resistência ao impacto, que é realmente muito baixa. Uma outra razão para não se usar fibras de carbono sozinhas é o custo, pois elas são as mais caras de todas as fibras disponíveis no mercado.
Os filamentos de carbono têm um diâmetro de 1 a 11 mícrons e são normalmente agrupados em até 18 mil filamentos. Os tecidos usados na construção de barcos têm geralmente de 3mil (3K) a 12mil (12k) filamentos por cabo, e quanto maior o número de filamentos, menor o custo final do material. A densidade do carbono varia entre todos os seus tipos, mas na maior parte das vezes está localizada entre a do vidro e a do Kevlar. A resistência à tração é compatível com os vidros R e S e é superior a qualquer outro tipo de fibra quando é necessário se obter maior rigidez à fadiga e à vibração. Elas são, contudo, fibras que desenvolvem em conjunto com outros tipos de fibra, com o vidro R e o Kevlar, a fim de aumentar a sua resistência ao impacto, que é realmente muito baixa. Uma outra razão para não se usar fibras de carbono sozinhas é o custo, pois elas são as mais caras de todas as fibras disponíveis no mercado.
Nasseh, Jorge. Barcos – Métodos Avançados de Contrução em Composites. 2007
Agora, vejamos alguns exemplos de fibra de carbono (variações quanto a sua trama):
0º Uniaxial
| |
 UT-C200 – 200g/m² |  UT-C300 – 300 g/m² |
 UT-C400 – 400 g/m² | |
0-90º Bi-axial
| |
 RC-200T – 200 g/m² |  RC203P-POW – 193 g/m² |
 RC-303T – 300 g/m² |  RC416T – 420 g/m² |
 RC-660T – 660 g/m² | |
| 0-45-90º Tri-axial | |
 XC-305 – 302 g/m² |  XC-411 – 408 g/m² |
Não é muito claro qual a composição dos quadros de carbono, porém, é fácil de identificar o RC200T na última camada (a mais superficial). Como podemos observar nas imagens anteriores, a RC200T é a fibra de carbono mais “bonita” para o acabamento e confere propriedades biaxiais.
Laminação do carbono.
Para laminação das fibras de carbono, é usada uma resina épox catalizada, por exemplo, com Mekp.
Logo depois dos 3min de vídeo a que virá a seguir, podemos ver as peças que formam o quadro (frame) da Bicicleta Trek Madone. Reparem na forma das peças e a forma com que elas são encaixadas (desenho de Solidworks).
Agora que observamos as peças, vamos a laminação em si.
Para laminar, em geral, usa-se formas de aço as quais o material é organizado em seu interior (várias camadas de fibra de carbono) e posteriormente a resina. Mais uma vez, observando o vídeo a seguir, aos 4min e 40seg, podemos identificar que são usadas camadas de fibra de carbono unidirecionais em direções diferentes (0º/90º/45º /-45º) e na última camada, como disse anteriormente pode se aplicar uma camada de RC200T.
Depois de a forma ser fechada, é conferido um vácuo, de forma que a resina e a fibra são comprimidas (aumentando a aderência). Como as formas já são perfeitamente polidas e é aplicado um material desmoldante e a peça já sai polida e pronta para pintura. Essa tecnologia é chamada Prepreg.
Logo depois dos 3min de vídeo a que virá a seguir, podemos ver as peças que formam o quadro (frame) da Bicicleta Trek Madone. Reparem na forma das peças e a forma com que elas são encaixadas (desenho de Solidworks).
Agora que observamos as peças, vamos a laminação em si.
Para laminar, em geral, usa-se formas de aço as quais o material é organizado em seu interior (várias camadas de fibra de carbono) e posteriormente a resina. Mais uma vez, observando o vídeo a seguir, aos 4min e 40seg, podemos identificar que são usadas camadas de fibra de carbono unidirecionais em direções diferentes (0º/90º/45º /-45º) e na última camada, como disse anteriormente pode se aplicar uma camada de RC200T.
Depois de a forma ser fechada, é conferido um vácuo, de forma que a resina e a fibra são comprimidas (aumentando a aderência). Como as formas já são perfeitamente polidas e é aplicado um material desmoldante e a peça já sai polida e pronta para pintura. Essa tecnologia é chamada Prepreg.
NOTA: Prepreg é um tipo de compósito pré-impregnado. Usualmente tomam a forma de ondas ou são unidirecionais. Já contém uma quantidade de material matriz usando para uni-los entre si e a outros materiais durante a manufatura. Os prepreg são armazenados principalmente em áreas resfriadas uma vez que a ativação é comumente feita por calor. Desta forma, a fabricação de estruturas compostas de prepregs requer um forno ou autoclave para o processo de cura.
http://pt.wikipedia.org/wiki/Prepreg
http://pt.wikipedia.org/wiki/Prepreg
Aos 5min e 40seg, depois que a peça é desmoldada, repare que no caso da Trek Madone, os designers não pensam em um acabamento aparente da fibra de carbono, ela sai preto fosco e fica disponível para pintura.
Vídeo da laminação das partes, colagem e testes de stress da Trek:
Pra mim, a parte mais importante do vídeo é aos 7min e 11seg, quando os componentes do quadro são colados. Usa-se um adesivo a base de epoxy, não sei dizer qual é, mas, eu juro que vou descobrir!!!
Epoxy misturado a “outros ingredientes” é crueldade comigo!!! Preciso saber quais são esses ingredientes!!!
Epoxy misturado a “outros ingredientes” é crueldade comigo!!! Preciso saber quais são esses ingredientes!!!
Teste de stress
Logo no primeiro vídeo, acima, podemos observar, após os 9min e 05seg, o teste de stress, mas, esse teste é mais evidente no vídeo a seguir:
Vídeo do teste de impacto (Pinarello):
Comparado à Aramida (kevlar), fibra de vidro, alumínio e aço, o carbono possui ótimas propriedades de tração e rigidez à fadiga e à vibração porém é muito fraco quanto ao impacto. Dentre os quadros de carbono certamente o mais resistente é o Dogma 60.1.
Não estou levando em consideração a sua assimetria, ou seus ganhos aerodinâmicos, e sim ao estudo dos principais pontos onde é necessário reforço de material. (3min e 38seg do vídeo a seguir)
Não estou levando em consideração a sua assimetria, ou seus ganhos aerodinâmicos, e sim ao estudo dos principais pontos onde é necessário reforço de material. (3min e 38seg do vídeo a seguir)
Texto da propaganda da Pinarello Dogma:
The Dogma 60.1 is revolutionary in more than its asymmetry. It uses a new carbon fiber from Toray called 60HM1K with Nanoalloy. The 60HM represents a strength of 60 tons per square centimeter and 1K means each crossing is 1000 fibers. This carbon fiber is not presently used by any other manufacturer of road racing bicycles. Nanoalloy is Toray’s answer to the dangers of carbon fiber fracturing from violent impacts such as crashes. The extraordinary Torayca Nanoalloy technology consists of self-repairing nano-particles embedded in the carbon fiber mesh that will expand on impact to prevent the fiber from fracturing. The impact performance of the 50HM1K carbon fiber as used in the Pinarello Prince is already 29% stronger than the most commonly used high modulus carbon fiber used in bicycle frames. The new 60HM1K carbon with Nanoalloy technology adds 23% to that advantage, giving a 59% improvement in resistance to traditional carbon fiber.
The Dogma 60.1 is revolutionary in more than its asymmetry. It uses a new carbon fiber from Toray called 60HM1K with Nanoalloy. The 60HM represents a strength of 60 tons per square centimeter and 1K means each crossing is 1000 fibers. This carbon fiber is not presently used by any other manufacturer of road racing bicycles. Nanoalloy is Toray’s answer to the dangers of carbon fiber fracturing from violent impacts such as crashes. The extraordinary Torayca Nanoalloy technology consists of self-repairing nano-particles embedded in the carbon fiber mesh that will expand on impact to prevent the fiber from fracturing. The impact performance of the 50HM1K carbon fiber as used in the Pinarello Prince is already 29% stronger than the most commonly used high modulus carbon fiber used in bicycle frames. The new 60HM1K carbon with Nanoalloy technology adds 23% to that advantage, giving a 59% improvement in resistance to traditional carbon fiber.
Após vermos este vídeo da Pinarello Dogma, diferente da Trek Madone, podemos observar o acabamento da fibra de carbono. Para fixar bem como esse acabamento é conseguido, vejam o vídeo a seguir de uma peça de carro (a partir de 59seg):
Outros vídeos relacionados a laminação:
Vídeo dos quadros de carbono da Colnago:
Se comparado com a Pinarello Dogma, o quadro da Colnago é mais simples e sua geometria é resumida a tubos cilíndricos, já a Pinarello, abusa de formas mais “orgânicas” afim de conferir outras propriedades.
Se comparado com a Pinarello Dogma, o quadro da Colnago é mais simples e sua geometria é resumida a tubos cilíndricos, já a Pinarello, abusa de formas mais “orgânicas” afim de conferir outras propriedades.
Vídeo de quadros de carbono customizados:
Neste vídeo, o processo de fabricação é parecido com o da Colnago, porém, há um detalhe mais interessante, podemos conferir o reforço de Aramida (kevlar) em algumas partes importantes do quadro. Provavelmente para melhorar a absorção de impactos. Reparem no tecido quadriculado em amarelo e preto (kevlar e carbono respectivamente).
Neste vídeo, o processo de fabricação é parecido com o da Colnago, porém, há um detalhe mais interessante, podemos conferir o reforço de Aramida (kevlar) em algumas partes importantes do quadro. Provavelmente para melhorar a absorção de impactos. Reparem no tecido quadriculado em amarelo e preto (kevlar e carbono respectivamente).
Reparo de quadros de carbono:
Agora, a parte que mais interessa aos ciclistas. Depois que compramos uma bicicleta de carbono, nosso maior medo é ver o nosso investimento se perder. Para quem investe alguns milhares de reais em uma bicicleta, é muito desagradável vê-la se quebrar.
Depois que o carbono é laminado com a resina epox e o compósito é formado, não podemos mais reaver a fibra do carbono ou a resina epox, se há uma quebra, ou uma trinca, o que podemos fazer é reforçar a área em volta da trinca. Fiz uma série de desenhos pra explicar como isso pode ser feito:
Depois que o carbono é laminado com a resina epox e o compósito é formado, não podemos mais reaver a fibra do carbono ou a resina epox, se há uma quebra, ou uma trinca, o que podemos fazer é reforçar a área em volta da trinca. Fiz uma série de desenhos pra explicar como isso pode ser feito:
Reparem no seguinte:
Desenho 1 – formato do quadro (frame) original
Desenho 2 – Indicação da trinca, ou ruptura do quadro e indicação da espessura do laminado
Desenho 3 – Para o reparo, devemos lixar a área que sofreu ruptura até o mais próximo possível do última camada de laminação.
Desenho 4 – Re-laminação da área de ruptura.
OBS.: O vídeo a seguir, mostra como o pessoal faz essa laminação de forma inteligente:
Desenho 1 – formato do quadro (frame) original
Desenho 2 – Indicação da trinca, ou ruptura do quadro e indicação da espessura do laminado
Desenho 3 – Para o reparo, devemos lixar a área que sofreu ruptura até o mais próximo possível do última camada de laminação.
Desenho 4 – Re-laminação da área de ruptura.
OBS.: O vídeo a seguir, mostra como o pessoal faz essa laminação de forma inteligente:
NOTA: Conforme foi dito anteriormente, quando as peças que formam o quadro são produzidas, usa-se formas de aço. No caso do reparo, não se consegue obter um acabamento tão perfeito quanto da forma. Na parte final do vídeo, a dupla enrola uma bolsa de vácuo e puxa o ar da peça para comprimir as novas camadas de fibra e resina mas, isso não garante um acabamento perfeito!
Vídeo do reparo de um quadro quebrado ( de forma burra):
Por que eu considero esse reparo burro:
Logo nos dois primeiros videos, Trek e Pinarello, observamos os testes de stress dos quadros de carbono e observamos que todo o conjunto “vibra” harmonicamente.
Quando este senhor faz o reparo usando um cilindro de alumínio (provavelmente), ele muda toda essa harmonia. A deformação e a elasticidade do alumínio é completamente diferente da fibra de carbono e assim ele cria duas novas zonas de craking logo após o final do tubo inserido.
Logo nos dois primeiros videos, Trek e Pinarello, observamos os testes de stress dos quadros de carbono e observamos que todo o conjunto “vibra” harmonicamente.
Quando este senhor faz o reparo usando um cilindro de alumínio (provavelmente), ele muda toda essa harmonia. A deformação e a elasticidade do alumínio é completamente diferente da fibra de carbono e assim ele cria duas novas zonas de craking logo após o final do tubo inserido.
Falando em craking e voltando ao desenho, as zonas indicadas por 5 e 6, são as zonas mais sucetíveis a novas rupturas. A área re-laminada, dependendo da quantidade de carbono utilizada pode até ser mais resistente que a original mas, ela nunca será igual ao restante da peça e os pontos onde elas se “conectam” (5 e 6) tornam-se mais sucetíveis a novas rupturas.
Copiei do site bikeshowadventure.com.br alguns cuidados com quadro de carbono:
1- O primeiro cuidado é no momento da compra, e isso vale para qualquer quadro. O biker deve escolher corretamente o tamanho, a geometria e levar em conta o uso que vai fazer da bicicleta. Assim, não se deve adquirir uma bike de cross country para fazer downhill, por exemplo.
2- Evite fazer modificações no projeto original da bicicleta. Mudanças de componentes podem alterar a relação de forças e criar pontos de tensão. Um quadro projetado para utilizar uma suspensão de 80 mm será submetido a forças bem maiores se receber uma suspensão de 120 mm. Isso vale para outros componentes como mesa, garfo, guidão e canote e para todos os tipos de quadros.
3- Evite que o quadro tenha contato com produtos derivados de petróleo (benzina, tiner, gasolina, thinner, diesel, querosene, óleos etc). Lave a bike somente com sabão neutro.
4- Proteja o chain stay do lado direito para evitar que as chicotadas da corrente arranquem o verniz que protege a pintura. Sem o verniz, a fibra de carbono lasca e o óleo da corrente penetra pelas microfissuras e, com o passar do tempo, vai dissolver a resina que aglutina a fibra.
5- Ao notar uma área descascada ou um risco profundo no quadro, proteja-os imediatamente com esmalte de unha ou até mesmo com um decalque adesivo.
6- Um dos erros que mais danificam quadros de carbono é o excesso de aperto. Tome cuidado com tudo o que tiver contato com o quadro como gancheiras, blocagens das rodas, suportes de caramanhola, suporte do câmbio dianteiro, braçadeira de canote, aheadset, mesa, guidão e caixa do movimento central (usar torquímetro sempre que possível). A regra geral manda apertar o parafuso até encostar no final da rosca e ir um pouquinho mais. Apertos exagerados provocam tensão no quadro.
7- Deve-se respeitar a inserção mínima do canote no quadro. O canote de selim deve estar pelo menos 130 mm dentro do quadro, ou pelo menos uma polegada (2,5 cm) abaixo da intersecção do top tube com o tubo de selim.
8- Jamais utilize um canote de selim fora do diâmetro correto. Não use buchas ou calços para compensar a medida e também não “esmague” o quadro com aperto excessivo para prender o canote. Ambos os casos causam tensões no quadro. O canote não pode ter riscos, em especial na horizontal, para não fragilizá-lo e expor o biker a acidentes.
9- Por motivo de segurança, alguns componentes de carbono têm que ser do marca consagrada. É o caso de mesa, guidão e do canote de selim.
10- Não use graxa à base de petróleo e de sabão de lítico, pois atacam o verniz. Veja o item 3 acima.
11- Em suspensões equipadas com steerers de carbono NÃO se deve usar aranhas (spiders) tradicionais. Suspensões com steerers de carbono devem somente utilizar spiders específicos para essa finalidade. Aperto exagerado na mesa, quando o steerer é de carbono, também vai causar tensão no conjunto.
12- Garfos de carbono de bicicletas de ciclismo requerem muito cuidado no momento do aperto do aheadset.
13- Muito cuidado com a quantidade de arruelas espaçadoras (calços) do aheadset. Calços demais alteram a altura e criam pontos de tensão no conjunto suspensão-caixa de direção-quadro.
14- Utilize somente lubrificantes recomendados pelos fabricantes. Consulte o manual do proprietário ou o site do fabricante para ver se o quadro resiste a um determinado agente químico.
15- Componentes de fibra de carbono como guidões, mesas e canotes têm vida útil relativamente curta. Verifique no site do fabricante qual a durabilidade do seu componente. Não é raro ouvirmos de guidões e mesas que quebraram sem prévio aviso.
3- Evite que o quadro tenha contato com produtos derivados de petróleo (benzina, tiner, gasolina, thinner, diesel, querosene, óleos etc). Lave a bike somente com sabão neutro.
4- Proteja o chain stay do lado direito para evitar que as chicotadas da corrente arranquem o verniz que protege a pintura. Sem o verniz, a fibra de carbono lasca e o óleo da corrente penetra pelas microfissuras e, com o passar do tempo, vai dissolver a resina que aglutina a fibra.
5- Ao notar uma área descascada ou um risco profundo no quadro, proteja-os imediatamente com esmalte de unha ou até mesmo com um decalque adesivo.
6- Um dos erros que mais danificam quadros de carbono é o excesso de aperto. Tome cuidado com tudo o que tiver contato com o quadro como gancheiras, blocagens das rodas, suportes de caramanhola, suporte do câmbio dianteiro, braçadeira de canote, aheadset, mesa, guidão e caixa do movimento central (usar torquímetro sempre que possível). A regra geral manda apertar o parafuso até encostar no final da rosca e ir um pouquinho mais. Apertos exagerados provocam tensão no quadro.
7- Deve-se respeitar a inserção mínima do canote no quadro. O canote de selim deve estar pelo menos 130 mm dentro do quadro, ou pelo menos uma polegada (2,5 cm) abaixo da intersecção do top tube com o tubo de selim.
8- Jamais utilize um canote de selim fora do diâmetro correto. Não use buchas ou calços para compensar a medida e também não “esmague” o quadro com aperto excessivo para prender o canote. Ambos os casos causam tensões no quadro. O canote não pode ter riscos, em especial na horizontal, para não fragilizá-lo e expor o biker a acidentes.
9- Por motivo de segurança, alguns componentes de carbono têm que ser do marca consagrada. É o caso de mesa, guidão e do canote de selim.
10- Não use graxa à base de petróleo e de sabão de lítico, pois atacam o verniz. Veja o item 3 acima.
11- Em suspensões equipadas com steerers de carbono NÃO se deve usar aranhas (spiders) tradicionais. Suspensões com steerers de carbono devem somente utilizar spiders específicos para essa finalidade. Aperto exagerado na mesa, quando o steerer é de carbono, também vai causar tensão no conjunto.
12- Garfos de carbono de bicicletas de ciclismo requerem muito cuidado no momento do aperto do aheadset.
13- Muito cuidado com a quantidade de arruelas espaçadoras (calços) do aheadset. Calços demais alteram a altura e criam pontos de tensão no conjunto suspensão-caixa de direção-quadro.
14- Utilize somente lubrificantes recomendados pelos fabricantes. Consulte o manual do proprietário ou o site do fabricante para ver se o quadro resiste a um determinado agente químico.
15- Componentes de fibra de carbono como guidões, mesas e canotes têm vida útil relativamente curta. Verifique no site do fabricante qual a durabilidade do seu componente. Não é raro ouvirmos de guidões e mesas que quebraram sem prévio aviso.
Vídeo curioso: Zoom na fibra de carbono
Tudo sobre fibra de carbono de bikes!!!
ResponderExcluir