Uhlík, kevlar či kompozit - alebo karbón? III. diel

Ako vyzerá výrobný postup a čo obnáša vyrobiť karbónový rám od základu?

Predchádzajúce dva diely mini seriálu boli venované základným pojmom vo svete uhlíkových kompozitov. Prvý diel nájdete na tomto odkaze, druhý diel tu. Pre odborníka nepriniesli isto nič nové, no pre bežného a koncového užívateľa karbónových produktov (pevne verím) áno.

Dnešná časť bude už o výrobe, a tak predávam slovo členovi AdMich, ktorý sa takejto výrobe ako subdodávateľ venuje profesionálne.

Technológie výroby bicyklových rámov a komponentov: Ako sa to celé začne?

Inžinieri a dizajnéri “dajú hlavy dokopy“ a nakreslia rám. Inžinier vypočíta okrem uhlov aj skladbu a typ tkanín* (1K až 50k, twill, keper, UD...). Vieme, že občas sa aj inžinieri pomýlia a potom vznikajú vtipy o tom, že všetky bicykle na G praskajú. V našom „akože“ prípade je však model navrhnutý výborne. Programátor odošle súradnice do CNC stroja, ktorý do oceľovej alebo hliníkovej platne vyfrézuje „otlačok“ rámu bicykla – rozdelený po pozdĺžnej osi s hornou rámovou rúrou na dve polovice.

Hlavná časť rámu tvorená trojuholníkom trúbok je vypekaná v jednej forme, dvojitá zadná vidlica od stredového zloženia po osku zadného kolesa má každá po svojej vlastnej forme. V priemyselnej výrobe sa z dôvodu dlhej životnosti používajú oceľové alebo hliníkové formy. Musia totiž vydržať dosť náročné a cyklické zmeny teplôt a ich leštený povrch v podstate vytvára povrch budúceho rámu. Medzitým je však potrebné vyrobiť aj jadro rámu, ktoré bude ľahko odstrániteľné. Je niekoľko možností, ako napríklad polystyrénové jadro (ktoré sa následne chemicky odstráni), alebo voskové jadro (ktoré sa neskôr po zahriatí roztopí a vyplaví), alebo tzv. silikónový vak. Niektoré najviac namáhané časti bicyklového rámu (sedlová či hlavová trúbka) sa môžu spevňovať kovovými rúrami. Dôvodom kovovej vložky môže byť aj fakt, že do tejto časti rámu bude treba narezať závit (stredové zloženie) a ten sa priamo do karbónu síce vyrezať dá, ale trvanlivosťou by rozhodne nevynikal.

Výroba

Máme teda formu a jadro, môžeme sa pustiť do ukladania tkanín. Tie sa najprv narežú do požadovaných tvarov. Vonkajšie tkaniny, tie, ktoré budú viditeľné, sa uložia do formy. Následne sa „obalia“ jadrá – spojenie prechodu z rámu na hlavovú rúru, prechod sedlovky do rámu, spoje okolo stredového zloženia, v prípade „full mtb“ aj zosilnenia v oblasti uchytenia tlmiča a podobne. Takto prichystané jadrá sa uložia do formy, ktorá sa následne zavrie a mechanicky zaistí spojenie s jej druhou polovicou. V prípade silikónových jadier sa do nich musí natlačiť vzduch, aby tkaniny pritlačil k sebe. Takto prichystaná forma putuje pod lis, ktorý ju vyhreje na vysokú teplotu – zvyčajne od 90°C do 140°C, ale môže to byť aj viac. Čas procesu záleží od mnohých faktorov – reaktívnosť prepregu, prevádzková teplota, zručnosť...

Po schladení sa forma otvorí, rám sa vyberie a vyššie spomenutými spôsobmi sa odstránia jadrá. Dostali sme surový rám, ktorý sa následne oreže, ďalej putuje na kontrolu kvality, na povrchovú úpravu a nakoniec na montáž.

RTM

Ďalšou zaujímavou, ale ekonomicky náročnejšou technológiou, je proces RTM (resin transfer moulding) – alebo v jednoduchosti „vstrekovanie epoxidu“. Tu sa pracuje so živicou v tekutom stave. Postup je podobný ako pri prepregoch, ale v tejto technológii sa využíva hlavne voskové jadro.

Ako prvý krok sa vyrobí forma pre odlievanie vosku. Tá je o niekoľko milimetrov menšia vo všetkých rozmeroch, oproti tej finálnej, oceľovej/hliníkovej. Ten rozdiel je hrúbka tkanín, teda hrúbka stien rámu. Odleje sa voskové jadro. Jedná sa o technický vosk, ktorý má teplotu topenia okolo 100°C. Po zatvrdnutí vosku sa toto jadro vyberie a putuje na stôl „navliekačom“. Tí podľa technických výkresov ukladajú, resp. omotávajú a navliekajú tkaniny okolo voskového jadra. Keď sú všetky tkaniny na mieste, celý tento surový rám sa vkladá do formy, zloženej z dvoch polovíc.

Forma sa zavrie a tu začína RTM – stroj si sám načerpá vopred nastavené množstvo epoxidovej živce. Predhreje ju z dôvodu zníženia viskozity a následne je živica nasatá do mixéru, kde sa premieša s tužidlom. Potom nasleduje už len tlakové vstrekovanie živice do formy. Tá sa kanálikmi postupne dostane ku tkaninám, cez ktoré prechádza a impregnuje ich, až sa zas dostane do výpustných kanálikov. Vtedy vieme, že živica prešla cez celý rám a všetky tkaniny. Pokiaľ kontrola preukáže dostatočné odvzdušnenie, čo sa prejaví už len čistou vytekajúcou živicou bez bubliniek, zapína sa proces „vypekania“. Forma sa zahreje na cca 90°C – 100°C tak, aby sa neroztopilo voskové jadro. Ako dlho trvá výroba surového rámu záleží od typu živice a automatizácie procesu. Po jeho uplynutí sa forma opäť schladzuje, aby mohol byť následne rám „odformovaný“. Po vizuálnej kontrole zatvrdnutý rám putuje do pece, ktorá je nastavená na vyššiu teplotu ako je teplota topenia vosku. Vosk sa roztopí a z rámu vytečie. Potom už nasleduje, rovnako ako pri prepregu, iba povrchová úprava a montáž.


Tento článok prosím neberte ako presný popis procesov. Je to skôr zovšeobecnenie mnohých detailov technológií, s ktorými som sa stretol. Každý výrobca má svoje „know-how“ a postupy sa môžu líšiť, či sa navzájom kombinovať/prekrývať. Práve v tom tkvie aj tajomstvo konštrukcie, pevnosti, hmotnosti, pružnosti a v konečnom dôsledku aj ceny výsledného produktu.