Det stelmateriale som cykelstel laves af, har ændret sig en del siden den første cykel kom på landevejen. Jeg vil her prøve at komme forbi (næsten) alle materialerne. Lige fra dengang alle cykler var lavet af stål, stål cykelstel af mange forskellige kvaliteter. Derefter kom Aluminium som lidt en revolution med flotte og lette cykler. Senere har materiale som Carbon og Titanium indtaget markedet, men endnu lettere og flottere cykler. Der findes idag, stel lavet i –
Carbon
Kul dækker over både et af de blødeste og hårdeste materialer fundet i naturen, grafit og diamant. Begge består af det samme grundstof, men har meget forskellige egenskaber. Kul beholder dets form ved ekstreme temperaturer og fordamper ikke, det er en af de bedste elektriske ledere, syreresistent og kan ikke ætses, og danner mange af de stoffer vores kroppe og naturen består af, og anses som et essentielt element for skabelsen af liv.
Kuls atomiske struktur er 3 dimensional og meget tæt, og derfor kan det blive så hårdt som det kan. Kort sagt er kul et af det kendte univers’ mest hårdføre stoffer i stortset enhver situation.
Hvad er kulfiber?
Kulfiber er et kunstigt fremstillet materiale i samme familie som glasfiber og kevlar. Det består i sin rene form af tråde af næsten rent kul. Materialets kombinerede styrke og lethed gør det til det optimale valg for alle konkurrence orienterede dele, både på biler, både, fly og cykler og bruges tit som substitut for metal da det er stærkere end stål og lettere end aluminium. Det bruges dog i stort set alt i dag, fra bygge branchen som ekstreme forstærkninger til arkitektur og møbler, endda nogen gange bare for at kunne sige ”det er carbon” som det populært bliver kaldt.
Kulfiber som vi kender det er typisk sammensat af kulfibervæv også kaldet ”måtter” som opfører sig stort set som enhver anden tekstil før det bliver hærdet sammen med epoxy og andre tilsætningsstoffer (herunder gummi og nanorør) under tryk og stærk varme i mange timer. De bliver typisk lagt med et inder eller yderlag af plastik for at lave et let, stærk og ”billigt” produkt kaldet kompositkulfiber, dog laves det også uden plastik, dette er mere omkosteligt, men man kan yderligere optimere styrken og vægten og det er denne slags kulfiber der er eftertragtet i cykel og autobranchen. Det er det ypperste materiale vi kender til formålet, det er stærkere, lettere og stivere end noget andet.
Historie
Det hele startede i 1879 hvor Thomas Edison bagte bambustråde i et lufttomt miljø for at skabe et materiale der kunne brænde næsten uden at miste materiale. De forkullede bambustråde var det første eksempel på kulfibertråde. Disse tråde var dog meget porøse grundet deres lave kulindhold, modsat deres moderne efterkommere, men varme resistansen gjorde dem oplagte som elektriske konduktører og var det første materiale brugt som glødetråd i lyspærer.
I 1958 bliver det første moderne kulfiber fremstillet af rayon som normalt bruges til tøj og tæpper. Rayonnet bliver forkullet men indeholder ikke mere end 20% rent kul, hvilket gør at materialet ikke opnår en styrke eller stivhed der kan sammenlignes med metal. Polyacrylonitrile blev brugt nogle år efter som erstatning for rayon og opnåede 50% kulindhold, hvilket gjorde det stærkt nok til brug som varmeskjold på fx rumkapsler og snuder på jetjagere og senere blev det brugt sammen med rayon for at skabe fibre der bestod af op til 99% kulatomer, og denne opskrift bruges stadig, dog findes der mange andre råmaterialer som bruges til produktionen af kulfiber fx. Tjære og andre petroliumsafkast og endda trækerneekstrakt.
Fordelen ved kulfiber blev hurtigt tydelig for de fleste, med kulfiber kan man skabe en byggeblok i samme dimensioner som stål som til gengæld vejer 1/3 del og er ca. 2.5 gange stærkere og stærkt modstandsdygtig overfor strækning og. Dvs at man oveni det kan skrabe meget af materialet af og derved yderligere sænke vægten, hvilket er hvor Formel 1 og cykelsporten begynder at åbne øjnene.
Rum og luftfarts branchen var de første til at tage materialet til sig eftersom at materialet naturligt kan modstå ekstremt høje temperaturer hvilket er vigtigt så snart man nærmer sig hastigheder over 1078 km/t hvor luften skaber friktion nok til at de fleste materialer enten smelter eller bliver for tunge til at kunne slæbes op i den fart.
Hvordan laves kulfiber?
Præcis hvordan et firma laver deres kulfiber er tit en tæt forretningshemmelighed, dog er den generelle fremgangsmetode frit tilgængelig. Det rå materiale gasses og bades i flydende kemakalier af typer alt efter hvilke egenskaber fibrene skal have fx hvad materialet må og ikke må reagere med, alt efter behandlingsmetode, derefter strækkes de af en enorm spinningsmaskine for at presse den indre struktur så tæt som muligt for at opnå høj styrke og lav masse. De lange og ultratynde tråde hærdes derefter for at opnå en mere håndterbar form ved ca.300°celcius. Derefter skal fibrene forkulles, dette sker i en ovn der er fyldt op med gas der har et 0% indhold af ilt for at undgå ild og brand i fibrene. Ovnen rammer typisk lige omkring 3000° celcius. Processen gør at alt udover kulatomerne forgår for at skabe en meget tæt atomstruktur, hvilket er hemmeligheden bag den nærmest unaturlige styrke iforhold til vægten. Produktet består nu af 99,9% kulatomer. Dette er både en god ting fordi det er ultra tæt i atomstrukturen og en dårlig ting da intet kan rigtigt binde sig til det, og på den måde er materialet svært at arbejde med, derfor ”oxideres” det, dvs. At man lader fibrene optage en smule ilt igennem et gasbad i kort tid. Dette er en delikat process da en smule for lidt ilt vil gøre fibrene svære at arbejde med og for meget vil gøre at det mister sin styrke. Efter dette coates fibrene med en lille smule epoxy eller nylon for at undgå smuldring. Efter dette er fibrene klar til at blive vævet til måtter som er klar til at blive til det lette og stærke metal substitut som vi kender. Denne process tager oveni det hele også rigtig lang tid da opvarmning og nedkøling tager timevis
Hvilke typer kulfiber findes?
Kulfiber produceres i mange udgaver. Typisk laves det i vævede mønstre for at tilgodese produktets styrke i stortset alle retninger. På denne måde er materialet utroligt stærkt uanset hvorfra presset kommer fra. Når der tales om kulfiber med vævet mønster er der mange forskellige typer af disse også, afhængigt af formålet de skal bruges til. Hi-modulus og lo-modulus står for forskellen i trækstyrken, altså stivheden. Her bruges kulfiber med enten flere fibre pr kryds i måtten for højere stivhed men mere vægt eller mindre for mere komfort og lavere vægt, disse opdeles typisk i numre som fx 1K, 3K eller 12K osv. Jo højere tal, jo flere fibre jo mere hi-mod er kulfibertypen. Dette resulterer også i at ternene bliver større.
Udover dette findes der også uni-directional fiber som er kulfibertråde der løber i én retning, dette resultere i en højere styrke og stivhed end vævet kulfiber da fibrene ikke bøjes under og over hinanden, men bare kan løbe frit hele vejen. Dog er det på bekostning af at styrken kun findes den ene retning, på fx på et kranksæt er det et smart valg da pedalarmene aldrig får tryk fra siderne, men kun oppe og nedefra, og derfor kan sidevejs styrke være af mindre relevans. Cykelstel laves typisk af 3-6k for at opnå en balance imellem stivhed for at mindske energitab og fleksibilitet for at rytteren ikke skal optage alle stød fra vejen direkt. Dog laves de mest performance fokuserede stel både i unidirectional og 12k, dog tit med sektioner af 3k på de hårdest udsatte områder af stellet.
Hvor anvendes kulfiber?
Kulfiber har været i brug i luft og rumbranchen i årtier, men er først blevet taget i ”civil” brug da Formel 1 teamet McLaren byggede MP4/1’en i 1981 som havde en hel kulfiberkarosse. Den blev bygget af Hercules Aerospace og den revolutionerede Formel 1 forevigt. Kulfiberen gjorde at bilen blev lettere, og ikke vred sig under acceleration hvilket var blevet et problem da motorene var blevet en del stærkere de forgående år, og ikke nok med det var det også mere sikkert da kulfiber ikke bøjer, men knækker, modsat metal, hvilket gør chancen for at racerkøreren kommer til skade er stærkt mindsket, hvilket også blev bevist samme år da John Watson fløj baglæns ind i et træ med 225 km/t uden en skramme i sin McLaren MP4/1.
Siden da har kulfiber fundet flere og flere formål, og i de sene 80’ere og tidelige 90’ere begyndte det at blive brugt i cykelbranchen og autobranchen mere og mere, først som vægtbesparelse til de helt dyreste og bedste cykler og superbiler hvor den mindste marginal gør forskellen, men senere også som hvermands eje i form af kulfiberforgafler på cykler helt ned til 5000-6000 kr.
Det ses også i andre sportsgrene som golf, tennis, badminton, kajakroning og mange andre. Stortset alle nyder fordel af den ekstreme styrke og lave vægt.
Udvilklingen i cykelsporten har kørt på overdrive de sidste 15 år, fra at Vitus introducerede deres første rammer med kulfiberrør og stål samlinger i midt 1980’erne til Trek’s første helstøbte (moncoque) i 1989 som var verdens letteste ramme på 1.5 kilo og ikke ligefrem var stærk eller stiv, til idags ekstreme fartmaskiner der kan modstå næsten et ton pres, som overfører stortset alt energi fra rytteren til hjulet, og vejer ned til 620 gram. Materialet udvikler sig, byggeteknikken udvikler sig og målene sættes højere hele tiden. Man kan sige at der er en uslukkelig tørst efter højere energioverførsel og lavere vægt.
Idag er kulfiber stel og dele den gyldne standard cykelsport og bruges til stortset alt; greb, sadler, bagskiftere, hjul, egerne i dem, endda tandhjul. Næsten alt kan lade sig gøre hvis man vil betale for det. Og det vil mange entusiaster!
Hvor stærkt er kulfiber?
Santa Cruz Nomad produceres både i alumunium og kulfiber. Santa Cruz har selv udført stød og tryktest af begge versioner for at se foskellen på materialernes styrke. I tryktesten bukker aluminiumsrammen under ved imponerende 664.05 kilos tryk, hvor at kulfiberudgaven bliver ved uden tegn på svaghed indtil 929.86 kilo. I stødtesten scorer aluminiumscyklen 29.5 kilo v/ 450nm og kulfibercyklen 50 kilo v/950 nm. Ikke nok med at kulfibercyklen er lettere, den er også mere end dobbelt så stærk.
En generel misforståelse omkring kulfiber er at det er et porøst materiale, det er langt fra sandheden, dog har kulfiber den Arkilleshæl at det kan knække ved hårde stød og slag da det kan bryde fibrene fra limen, men som det ses ved Santa Cruz’s test skal der en del til før det sker. Problemet kommer af at det er svært at se en skade i kulfiber, og at det hele gerne kommer på én gang da kulfiber enten er 100% eller 0%. Modsat metal viser det ingen tegn på skade før at det knækker, hvilket både giver det en lang levetid da der ingen korrosion eller træthed opstår i det, men også gør at man ikke ved om det pludselig knækker hvis det har været udsat for et stærkt slag. Det bliver dog stærkere og stærkere hele tiden, især introduktionen af nanorør har været en kæmpe faktor for hårdførheden af materialet.
Nanorør er mikroskopiske bindere der blandes i epoxyen som kan trænge helt ind i fibrene pga. Deres størrelse, hvor at ren epoxy kun kan trænge lidt under overfladen. Dette gør at den tætte struktur bliver meget tættere og derfor agere mere som et metal der hænger 100% sammen istedet for den limede struktur traditionel kulfiber har. Dette vil betyde at kulfiber får en endnu større rolle i hvordan ting laves da kulfiber nu kan nogle af de ting de ikke kunne før.
Hvad kan kulfiber ikke?
Som nævnt tideligere er det ikke hårdt på samme måde som metal, hvilket gør det svært at bruge som kontaktflade fx som tandhjul da det højst sansynligt vil knække eller brække da overfladen ikke er meget mere end en stærk autolak og epoxy, modsat metal som har perfekte egenskaber til netop dette. Dog har nanorør og anden teknologi gjort det muligt i nogle tilfælde at overkomme denne byrde, dog er det bestemt ikke nemt eller billigt at producere kulfibertandhjul som det Engelske firma FibreLyte gør, men hvor der er en vilje og resourcer er der en vej.
Det er denne svaghed der gør at det ikke kan betale sig at designe og lave fx. En hel motor af kulfiber, det ville hypotetisk kunne lade sig gøre i fremtiden, men stadig koste flere milliarder og kræve måske mere end en million arbejdstimer, og det ville ikke være den forbedring der måske er at hente værd, og derfor er metal stadig en vigtig del af konstruktionen af racerbiler og cykler.
Hvad koster kulfiber?
Kulfiber er meget dyrt, og det er ikke uden grund. Dog har det været meget mere dyrt end det er nu, især i materialets unge dage, mest fordi teknologien var så ny og uudviklet, men også fordi markedet bestod af næsten kun militær institutioner i lande med meget høje budgetter som USA og Rusland. De dyre råmaterialer koster idag ”kun” 51% af hele et produkts fremstilling i gennemsnit, udover det er der ekstremt meget forskning indvolveret i designet af et produkt, først og fremmest pga. Kulfibers atypiske egenskaber men også fordi det typisk bruges i sportssammenhænge hvor det skal være det bedste det kan være. I gennemsnit ser kulfiberproduktionsudgifter sådan her ud
Fremstillingsudstyr 18% – Arbejdsløn 10% – Vedligeholdelse 12% – Råmateriale 51% – Diverse 9%. Produktet koster ca 150 kr pr kilo at producere i de billigste tilfælde for fabrikken. Herefter skal en virksomhed købe kulfiberen for en pris hvor fabrikken også tjener noget på det, designe, producere, teste, og sørge for faciliteterne til at processere fibrene og arbejde med dem. Med alt det taget i betragtning er det ikke svært at se hvorfor et cykelstyr af kulfiber kan koste 2500 i butikkerne.
I gennemsnit koster kulfiber 8 gange mere end højkvalitets stålet brugt i autobranchen, som ellers ikke er billig, hvilket er grunden til at autobranchen ikke har adopteret kulfiber i produktionen af personbiler endnu trods at det kunne hjælpe bilerne med at skåne miljøet i stor stil. En bil til 150.000 normalt ville komme op på 300.000 og måske endda overskride denne grænse. Uddrivningen af råstofferne til kulfiber er mere forurenende end stål, men den øgede benzin økonomi bilerne ville yde pga. Den nedsatte vægt ville nemt udveje denne ekstra forurening. Det er hvad Lamborghini (der er storforbruger af kulfiber til deres super og racerbiler) og 12 andre bilselskaber prøver at opnå i fællesskab i orginasitionen NewsPEc, NewsPEc’s mission er at finde et alternativt råstof til kulfiberproduktion som er mildere på miljøet, og arbejde er allerede begyndt på at optimere polyethylene fra genbrugsplast til produktionen og fibrene fra lignintræer har også kommet op over en kulprocent på 60%, hvilket er en næsten co2 neutral resource og også en del billigere end petroleum, dog skal man over de 90% kulindhold før at det ville give mening at bruge det til strukturelle komponenter, men det er et billigt ”dekorationsmateriale” indtil videre.
Er kulfiber farligt?
Kulfiber i sig selv er ikke giftigt, faktisk bruges rent kul som ingrediens i nogle mediciner, men det har egenskaber meget lig asbest (som heller ikke er giftig, men en kendt dødsårsag blandt dem som har været udsat for det). Støvet kan beskadige lungerne fordi at støvet bliver meget skarpt når det fx. Saves i. Det gør at støvet borer sig ned i lungevævet og laver sår som bliver til ar som permanent beskadiger lungen og begrænser dens kapacitet. Udover det kan opvarmning af epoxyen (hvilket kan ske ved friktion fx slibning eller savning)i fibrene udløse mange af de skadelige stoffer i luften.
Derfor er det vigtigt at benytte åndedrætsværn, gerne friskluftsforsynet og at arbejde i et godt ventileret rum. Udover det er det en god idé at benytte handsker da det mindste af støvet kan trænge igennem huden og ned i blodbanen hvor det ophober sig og kan skabe små indre blødninger, blodpropper og hjerteproblemer. Sikkerhedsbriller er også et must, da det ligesom i lungerne og huden kan bore sig indad og skabe problemer. Da kul har en stærk elektrisk ledningsstyrke kan støvet også kortslutte elektroniske komponenter det kommer i kontakt med, derfor er det vigtigt at når man arbejder med det at man dækker sine elektriske komponenter til og sørger for fibrene ikke er i forbindelse med strøm.
Kulfiber skal disponeres i indistruelt affald, dog er der firmaer som Trek som har lykkedes at genbruge 40% af en kulfiberrammes fibre som kan have interesse i at tage sig af afskaffelsen.
I dagens globaliserede cykelsportsmarked findes mange kinesiske kopier af produkter fra kendte producenter, disse kan være potentielt farlige, især når der tales om saddelpinde, styr, stel og hjul. De er typisk bygget i stjålne forme, så formen er nem at forveksle med det rigtige produkt, men kulfiberen brugt er af billigste kvalitet, og ikke lagt på den rigtige måde, derfor kan disse produkter trods at de har en lav vægt, ligner det rigtige og generelt føles som kvalitetsprodukter være mange gange svagere end de rigtige og derfor direkte farlige at montere på en cykel.