Vysiela Šport RTVS
V dnešnej dobe môžeme vidieť, že v profesionálni cyklisti používajú najmä karbónové rámy a komponenty. Využite karbónu v športe je trendom asi posledných dvadsiatich rokov a postupne vo výrobe bicyklov takmer úplne vytlačil dural a oceľ. Dnes sa už dokonca z karbónu vyrábajú aj rámy v stredných a nižších cenových kategóriách a nie len špičkové stroje pre profesionálov za tisícky eur.
V tomto článku by sme chceli priblížiť a vysvetliť, prečo asi padla voľba výrobcov práve na karbón. Vďaka postupnému zdokonaľovaniu výrobných technológii sa karbón stáva neprekonateľne kvalitným a oproti nedávnej minulosti aj dostupným materiálom. Jednoducho karbón má také vynikajúce technické a konštruktérmi žiadané vlastnosti, že zatiaľ ho nemôže nič nahradiť. Samozrejme, popri vývoji karbónových rámov sa vylepšovali aj hliníkové zliatiny, prípadne sa začal používať titán či horčík. Momentálne však karbón vytlačil ostatné materiály skoro zo všetkých pozícií.
Na začiatok trochu fyziky a chémie
Na stavbu rámov bicyklov alebo niektorých iných komponentov sa samozrejme nepoužíva čistý uhlík 6C (lat. carboneum) tak ako sa vyskytuje v prírode, v dvoch modifikáciách, teda diamant a tuha. V takomto priemysle sa používajú uhlíkové vlákna presne prepletené podľa požiadaviek konštruktérov do útvarov podobných mriežkam, ktoré sú polymérovou matricou spojené do kompaktného materiálu. Materiál, kde jedna zložka vytvára pevnú štruktúru tzv. výstuž a druhá je ľahko tvarovateľným spojivom teda matricou, sa nazýva kompozit. Obe zložky kompozitu s rozdielnymi vlastnosťami, dohromady dávajú výslednému výrobku vlastnosti úplne nové. V spomenutom kompozite sa teda nachádzajú uhlíkové vlákna (ang. carbon fibres), a preto sa jeho názov skracuje na karbón alebo najčastejšie sa stretneme s anglickým nápisom "carbon". Samozrejme, nie je karbón ako karbón, kompozitových materiálov s uhlíkových vlákien a polymérovej matrice existuje niekoľko druhov. Hlavne typ použitých vlákien, smerovanie ich štruktúry a ich pomer voči spojivu určuje výsledné vlastnosti kompozitu.
Karbónové vlákno je zložené prevažne z uhlíka, ktorého atómy sú spojené do mikroskopických kryštálov. Práve kryštálové usporiadanie orientované paralelne k pozdĺžnej osi vlákna spôsobuje, že vlákno je na svoju hrúbku (5 až 8 µm) veľmi pevné. Ďalej je v problematike výroby kompozitu dôležitá štruktúra vlákna a teda jeho vlastnosti. To najviac ovplyvňuje jeho výroba a použitý základný materiál. Najčastejšie sa vyrába asi v piatich fázach z polyakrylového vlákna. Hlavná fáza výroby, kedy sa vylúči väčšina iných ako uhlíkových atómov, sa nazýva karbonizácia a prebieha zahriatím na 1000 °C - 2000 °C bez prístupu kyslíku. Špičkové certifikované uhlíkové vlákna vyrába len niekoľko firiem na svete (napr. Hexcel, Toray, Toho, Amoco, Nippon), ich cena sa pohybuje približne od 16 do 19 EUR/kg a špeciálne vlákna pre letecký a vesmírny priemysel sú ešte o niečo drahšie.
Samotný rám sa potom vyrába preplietaním a vrstvením jednotlivých vlákien pomocou rôznych robotov a foriem, v ktorých sa "pečením" spájajú vlákna s matricou. Neskôr prichádza na rad povrchová úprava, aby boli rámy hladké a odolnejšie voči prerazeniu. Každá firma má však svoje vlastné technológie, označené rôznymi skratkami, ktoré potom dodávajú rámom určitú prestíž a svoje know-how si starostlivo chráni. Je však verejným tajomstvom, že väčšina najmä tých lacnejších rámov sa vyrába len v niekoľkých fabrikách na Taiwane a odlišujú sa len v niektorých detailoch, alebo sú distribuované akési polotovary, ktoré sa potom u výrobcov rámov lepia dokopy. Až top modely renomovaných cyklistických značiek sú vyrábané v ich vlastných dielňach, kde prebieha aj výskum a testovanie nových materiálov a technológií.
Porovnanie vlastností karbónových rámov s inými
Dostávame sa teda k základnej otázke tohto článku a pokúsime sa v krátkosti porovnať použitie rôznych iných materiálov a zdôrazniť niektoré ich základné výhody a nevýhody. Pri bicyklových rámoch sledujeme niekoľko parametrov. Najmä bočnú tuhosť rámu, aby bicykel pri šliapnutí do pedálov nepracoval, ale aby napomáhal prenosu energie smerom dopredu. Naopak, od rámu sa vyžaduje aj istý pocit komfortu a teda do určitej miery vertikálna pružnosť, aby tlmil vibrácie a čo najmenej ich prenášal na sedacie partie, chrbát a ruky jazdca. Ďalším parametrom je aj životnosť a to najmä odolnosť voči korózií a prasknutiu v prípade pádu alebo počas transportu. Dôležitou požiadavkou jazdca je aj nízka hmotnosť rámu a posledným sledovaným parametrom je cena. Konštruktéri sa samozrejme snažia dosiahnuť čo najefektívnejší pomer medzi týmito požiadavkami.
V minulosti bola jediným materiálom oceľ. Jej veľkými výhodami sú najmä nízka cena a malá mechanická únava, preto si udrží svoje vlastnosti pomerne dlho. Rovnako je dnes zvládnutie jej opracovania a zvárania na vysokej úrovni. Veľkým mínusom je však váha a nízka bočná tuhosť takýchto rámov. Dnes sa od ocele už takmer upustilo, pri tých úplne najlacnejších bicykloch sa používa zliatina chrom-molybdenová oceľ a tá umožňuje použitie trubiek s trochu tenšími trubkami, čím sa o niečo málo zníži váha, ale ostatné vlastnosti sa nemenia.
Ďalším, ešte aj dnes rozšíreným a spoľahlivým materiálom, sú rôzne zliatiny hliníku. Dá sa povedať, že zliatiny hliníku sú stále najrozšírenejší materiál, najmä medzi rámami nižších tried. Pri použití vhodných prímesí do zliatin sa dosahuje vysoká tuhosť tohto materiálu, čo umožňuje používať rúrky s veľkým priemerom a s tenšími stenami na menej namáhaných miestach. Takáto zliatina sa dá dobre tvarovať aj za studena. Profilácia, tvarovanie a stenčovanie rúr umožňuje ovplyvňovať vlastnosti samotného rámu. Pretože má približne o 35% nižšiu hustotu ako oceľ, tak aj hmotnosť rámu je o niečo nižšia. Veľkým mínusom je slabé tlmenie nárazov a vibrácií a tiež pomerne skoré prejavenie únavy materiálu a teda životnosť samotného rámu.
V minulosti boli pokusy aj s horčíkom, ktorý má o 77% menšiu hustotu ako oceľ a umožňoval vyrábať rámy s mohutnými rúrkami s tlstejšími stenami. Takéto rámy dobre pohlcovali vibrácie a boli pomerne ľahké. Ich nevýhodou bola však obrovská náchylnosť ku korózii, ktorá pri horčíku prebiehala rýchlo a rám často praskal. Do dnes sa však horčík používa pri niektorých komponentoch alebo býva súčasťou odpružených vidlíc.
Špičkovým materiálom je titán. Má skoro ideálne vlastnosti, veľmi nízku špecifickú hmotnosť, asi o 57% menšiu hustotu ako oceľ, vysokú tuhosť, vynikajúce schopnosti absorbovať nárazy a vysokú stálosť všetkých parametrov. Môžeme hovoriť o takmer neobmedzenej životnosti. Veľkou nevýhodou titánu však je vysoká cena a aj náklady na jeho spracovanie. Niektoré takéto rámy boli až veľmi pružné, ale to záleží na zvládnutí správnej geometrie rámu a na skúsenostiach výrobcu. Dodnes sa ešte vyrábajú rámy z titánu, ale len v malých počtoch, tzv. garážových firmách, väčšinou priamo na objednávku jazdca.
Tieto materiály určite doplatili aj na veľký boom karbónu. Karbón má všetky vynikajúce vlastnosti. Jeho vývoj a výskum nových technológii pri výrobe rýchlo napredoval a napreduje doteraz. Z karbónu môžeme v dnešnej dobe vyrobiť takmer čokoľvek a hocijaké tvary rámov. Pomocou smerovania vlákien zosilniť stenu rámu v požadovanom smere a tam kde je to potrebné navrstviť karbón tak, aby bola stena hrubšia a pod. V porovnaní s duralom, ktorý má takmer dvojnásobnú hustotu, je uhlíkový kompozit takmer trikrát pevnejší. Ďalej v porovnaní s kovovými materiálmi sa karbón líši vynikajúcimi únavovými vlastnosťami. Čo v praxi znamená, že trhlina, ktorá vzniká namáhaním, sa v kovoch ďalej šíri po hraniciach zŕn materiálu, pričom neskôr vznikne únavový lom. V karbóne ako kompozite sa tieto lomy zastavia na najbližších vláknach. Samozrejme, že tento materiál nie je nezničiteľný a pri pôsobení veľmi vysokých síl sa stáva, že sa jednotlivé vlákna začnú oddeľovať. Najčastejšie pri silnom náraze priamo na materiál, pri páde a podobne. Dnes už konštruktéri myslia aj na to a vrstvením karbónu v rôznych smeroch a aj pomocou špeciálnych odolných lakov sa tomu snažia zabrániť alebo aspoň čiastočne obmedziť takéto mechanické poškodenie.
