El carbono, ¿sabes realmente qué es?

Compra on-line nuestra revista
Te la enviamos a casa

Contenido

El origen del carbono

La fibra de carbono es relativamente joven. En 1958 Roger Bacon (Ohio, USA) crea las primeras fibras de alto rendimiento mediante el calentamiento de filamentos de rayón hasta carbonizarlos, dando el pistoletazo de salida a la evolución de la fibra de carbono.

Desde sus inicios, la fibra de carbono está relacionada con la industria militar, como casi todos los avances tecnológicos de nuestra época (Internet, Teflon, GPS, Velcro…) dado su elevado coste de investigación y desarrollo. A principios de los años 60 el ministerio de defensa del Reino Unido ya trabajó en él, autorizando su uso a tres empresas británicas: Rolls-Royce, Morganita y Courtaulds.

Durante la década de 1970, los trabajos experimentales para encontrar materias primas alternativas consiguieron mejorar el proceso de creación de fibras de carbono a partir de una brea de petróleo derivada de la transformación del petróleo, que contenían alrededor de 85% de carbono y tenía una excelente resistencia a la flexión. Ya se estaban empezando a ver la gran cantidad de propiedades que tenía el carbono.

20 años pasaron desde el descubrimiento de Bacon hasta que apareció el primer cuadro de bicicleta en fibra de carbono. La empresa Toray (Japón) en colaboración con la italiana Alan, especialista en cuadros de aleaciones ligeras, crearon en 1978 el primer cuadro de fibra de carbono mediante tubos pegados a racores de aluminio.

Desde entonces, la industria deportiva no ha parado de innovar a través de la fibra de carbono, mejorando el proceso y consiguiendo resultados impensables hace unos pocos años. Para hacernos una idea, la empresa Textreme Oxeon (Suecia) ha conseguido mejorar el proceso creando el  Textreme, aplicado desde 2011 en la F1 por el equipo Red Bull, con unos resultados excelentes.

En la actualidad el carbono sigue evolucionando gracias a las grandes marcas del sector, como son Toray, Toho-Tenax, Mitsubishi, Rayon Co, SGL, Hexcel, Cytec o Zoltec.

Pero, ¿qué es exactamente la fibra de carbono?

Es una fibra sintética fabricada a partir del poliacrilonitrilo, que está compuesta por miles de fibras tejidas entre si. Tiene propiedades similares a las del acero, pero con un peso similar al de la madera y con una mayor resistencia al impacto que el propio acero.

Las fibras del carbono tienen dos propiedades básicas, que las hacen especialmente interesantes en la construcción de cuadros y componentes de bicicleta. Por una parte, tienen propiedades anisótropas, que básicamente significa que trabaja en una sola dirección (unidireccional).

Para mejorar sus propiedades de resistencia y elasticidad se suelen trenzar sus capas o incluso sobreponerlas, logrando propiedades isótropas, que lo hacen flexible y resistente en diferentes direcciones.

Además, el carbono tiene otro tipo de propiedades mecánicas como son la densidad lineal, tenacidad a la ligadura, resistencia a la rotura y tensión o elongación a rotura, que convierten al carbono en uno de los mejores materiales para la construcción de todo tipo de componentes.

Igualmente, es resistente a las variaciones de temperatura y tiene buenas propiedades ignífugas. Es un material que vale prácticamente para todo.

Proceso de fabricación del carbono

Para fabricar fibra de carbono se necesita un polímero llamado poliacrilonitrilo, que a través de calentarlo sucesivamente va formando anillos y liberando nitrógeno, hasta convertirlo en unas cadenas adyacentes que se unen entre sí. El resultado es prácticamente carbono puro en su forma de grafito.

Una vez trabajada la materia prima se pasa al hilado en bobinas. Las fibras de carbono pueden ser sometidas a un tratamiento superficial que aporta una mejora de las cualidades de manejo, para ser enrolladas posteriormente en las bobinas. Éstas se utilizan para suministrarlas a las máquinas que producen los hilos de fibra de carbono.

La fibra de carbono se vende en el mercado en forma de hilos para fabricar material compuesto, siendo los tamaños típicos del hilo 1K, 3K, 6K, 12K, 24K, 48K, 120K, 320K etc. (K=1000 filamentos).

Una vez conseguida la bobina de hilo de carbono se procede a su tejido. Según su orientación puede ser unidireccional, bidireccional, biaxiales, triaxiales y quadriaxiales, ésta última con propiedades mecánicas muy similares en cualquier dirección.

Para unir las diferentes partes de carbono producido se suelen utilizar resinas del tipo Epoxy (tienen buen comportamiento a temperaturas elevadas) o resinas con nanotubos CNT (más ligeras), pudiendo unir las diversas partes.

En el proceso de fabricación del carbono suelen intervenir otras fibras como la fibra de vidrio, de basalto, de boro, fibras cerámicas o la aramida (Kevlar). Todas ellas hacen que el carbono tenga unas propiedades concretas, mejorando el resultado final según convenga.

Los inicios de las bicis de carbono

La primera bicicleta de carbono fue un modelo de carretera de la marca italiana Alan. Esto pasaba en el año 1978, cuando el carbono era un material relativamente nuevo y aun poco conocido más allá de sus aplicaciones militares.

Este cuadro estaba fabricado con racores y tubos de aluminio-carbono. La horquilla y los racores eran de aluminio Dural y solamente los tubos pegados con epoxy eran de fibra de carbono. Estos tubos eran de fabricación japonesa (Toray) y solamente se pegaban a los racores, consiguiendo un peso del cuadro de 1700 gr.

Después de Alan, empresas como TVT, Look, Vitus o Colnago siguieron mejorando la producción de cuadros de carbono, hasta llegar a los que todos conocemos hoy.

Para que os hagáis una idea, Perico Delgado ganó el Tour de 1988 con un cuadro de carbono fabricado por la empresa francesa TVT. Imaginaos el peso que tendría.

peterlombardi

A finales de los años 80 y principios de los 90 se empezaron a producir los primeros monocascos o cuadros fabricados en una sola pieza. Para su fabricación se impregnaban capas de carbono con resina epoxy, que posteriormente se cocían en un molde.

En muchos casos, los cuadros superaban los 2 kg de peso, por lo que a mitad de los noventa se volvió a imponer la fabricación tubo a tubo (T2T), pero esta vez con racores de carbono, que mejoraban las prestaciones de los racores de aluminio.

En estos años el aluminio y el titanio vivieron un auge en la fabricación de cuadros para bicicleta, ya que era más barato y se conseguían cuadros más ligeros. Hasta 2010 aproximadamente, este proceso de fabricación se mantuvo en activo, creando cuadros que rondaban el 1,5 kg de peso.

Desde el año 2000 aproximadamente, se empezó a utilizar el sistema mixto, que combinaba el uso T2T con monocasco por encaje de piezas de carbono. En este sistema, se fabrican los elementos en moldes, se pegan entre ellos con resinas epoxy y posteriormente se cuecen en horno hasta polimerizar las partes en contacto. Es un sistema de fabricación práctico que conseguía pesos que según el carbono empleado variaba entre los 900 gr y 1600 gr.

Desde finales de los 90 hasta nuestros días, el sistema más utilizado ha seguido siendo el T2T, ya que conseguía alcanzar la máxima relación entre peso/resistencia. Según el carbono utilizado, estos cuadros podían alcanzar pesos más ligeros, oscilando entre los 1300 y los 800 gr.

En los últimos años, en cuadros de gama media y alta, se está imponiendo un método conocido como Eps y monocasco híbrido de última generación. Básicamente se trata de una fabricación monocasco en la parte delantera y un T2T en las vainas, pero con algunas particularidades.

El monocasco se fabrica mediante unas vejigas y moldes internos, que hacen que a través de presión, el carbono consiga la forma y espesor deseado, eliminando posibles restos de fabricación y consiguiendo la forma y resistencia elegida, por dentro y por fuera.

Con este tipo de proceso se han conseguido cuadros muy ligeros, que en algunos modelos llegan hasta los 650 gr de peso (siempre hablando de los modelos más ligeros de bicis de carretera).

Proceso de diseño de un cuadro de carbono

Diseñar un cuadro de carbono desde cero es una tarea muy compleja. Suele requerir infinidad de proyectos y pruebas para conseguir el resultado final deseado. ¿Os hacéis una idea del tiempo de ejecución de un proyecto de estas características? Os lo explicamos por partes.

Para empezar, lo más importante es tener la idea a partir de la cual se definirán las características de la bicicleta y  se procederá a su diseño. Una vez hecho esto, se pasa a su diseño en 2D y 3D, con sus correspondientes convalidaciones.

Una vez conseguido esto, se pasa a la fase de creación del prototipo, que se suele construir en resina, para hacer simulaciones en túnel de viento o para las primeras muestras en las presentaciones.

Después se pasa al estudio de laminado LSD (LAYUP SCHEDULE DEVELOPMENT) y realización del Ply Book. En este punto se escoje el tipo carbono, sus capas, cantidad y disposición para conseguir los objetivos del diseño original.

A continuación se procede a la fabricación del molde, normalmente construido en aluminio en torno CNC. El primer molde construido asegurara su buen funcionamiento en base a la forma, hermeticidad y otros parámetros básicos.

Con el primer cuadro que salga de este molde se hacen las primeras valoraciones de tipo superficial  (formas, arrugas, burbujas de aire, etc…) y se procede a su mejora en un segundo molde. En este ya se intenta mejorar el cuadro a través de la disposición de las fibras de carbono, el aspecto más técnico.

Una vez superado este paso se procede a un tercer molde, que está orientado a conseguir los objetivos de peso asignados en la fase conceptual del proyecto. Normalmente en el tercer molde ya están superados los protocolos de seguridad y calidad, aunque siempre se pueden ir mejorando a medida que avanza el proyecto.

Y usualmente el cuarto molde es el definitivo. Es donde aparece el cuadro con todos los requisitos plasmados en el proyecto inicial pero, si el proyecto es muy complejo, se pueden utilizar más moldes hasta conseguir los resultados deseados.

Con el molde definitivo listo, los cuadros que salgan de él pasarán un proceso de lijado, mecanizado, encolaje de vainas y control de alineación, para poder ser probados y ofrecer mediciones fiables. Con el producto final se procede a su homologación, debiendo pasar por muchos controles de calidad, dependiendo de si el cuadro es para carretera, montaña o dependiendo del país en el que se venderá.

Además, las fábricas suelen hacer sus propios test, enfocados a mejorar sus productos de cara a nuevas versiones. Una vez superados todos estos puntos se obtiene el cuadro definitivo, que será sometido a todo tipo de pruebas reales, sobretodo en carrera.

Como veis, hacer una bici en carbono no es para nada sencillo y se necesita una buena dosis de tiempo, maquinaria, dinero y experiencia. Entre esto y que los materiales y maquinaria utilizados son muy caros, ya tenemos una idea de porqué las bicis de carbono son tan caras.

Os imagináis aproximadamente cual es el tiempo medio de desarrollo en un proyecto de cuadro rígido de carbono? Pues este proceso suele durar entre unas 40 y 54 semanas. Esto teniendo en cuenta cuadros rígidos, así que imaginaros lo que debe costar hacer uno doble de enduro o DH.

La próxima vez que veamos el precio de un cuadro de carbono y digamos “¡qué caro!”, ya sabemos por qué.

Texto: Alberto Roncero

Comentarios
Más en:
También te puede interesar

Contenido

Compra on-line nuestra revista
Te la enviamos a casa
¿Te molan nuestros posts?
Apúntate a nuestra newsletter.