Historia de la fibra de carbono

The Black Stuff: una historia del uso de fibra de carbono en motocicletas

Parte 1: Fibra de carbono: la ciencia

Para muchas personas, "material compuesto" significará resina epoxi reforzada con fibra de vidrio o de carbono, pero una verdadera definición de compuesto es la combinación de dos materiales para formar un nuevo material con propiedades únicas. Estos materiales pueden ser cualquier cosa, desde hierba hasta diversos plásticos y metales en matrices metálicas; de hecho, cualquier cosa en la que se unan dos sustancias para proporcionar nuevas propiedades estructurales. Es una definición mecánica más que química.

El plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP) se ha convertido en el compuesto más conocido gracias a su uso en aviones, coches de carreras y como piezas cosméticas ligeras en numerosos productos. Sus cualidades clave, por encima de todos los metales (incluso el titanio), son ultrarresistentes y ultraligeras. (En realidad, al igual que con las aleaciones Stell, puede tener propiedades de resistencia y peso variables según los requisitos específicos de la aplicación). Sigue siendo relativamente caro debido a su compleja producción química y a su fabricación intensiva en mano de obra. La fibra de carbono fue inventada por químicos ingleses, en particular Lesley Phillips en lo que era RAE Farnborough, poco después de la Segunda Guerra Mundial, pero no fue ampliamente considerada hasta que la compañía Standard Oil perfeccionó el proceso Sohio de amonoxidación de propeno (o propileno) y amoníaco. La producción anterior había implicado cianuro de hidrógeno con problemas obvios y rendimientos no particularmente buenos. Esta producción de acrilonitrilo luego se polimeriza con las hebras estiradas y oxidadas antes de hornearlas a 2500 grados C en una atmósfera rica en nitrógeno para convertir el plástico en carbono o grafito. Estas hebras de material luego se tejen juntas para formar la estera de fibra de carbono o se extienden para formar tiras de fibras paralelas conocidas como UD (unidireccional). Éstas son la base para fabricar componentes cuando las fibras se combinan con resina termoestable y se curan. Las resinas son principalmente epoxi, ya que las propiedades se adaptan mejor al rendimiento de las hebras, aunque a veces se utilizan poliéster y éster vinílico.

Hay una serie de variables que entran en juego al considerar estructuras basadas en fibra de carbono. En primer lugar, existen tres tipos principales de curado de los dos componentes:

Wet-lay-up : que es lo mismo que la producción básica de fibra de vidrio, donde se colocan telas o fibras secas en un molde y se agrega resina mezclada con endurecedor líquido o catalizador manualmente con brocha, rodillo o aspersor, o en mejores procesos, mecánicamente. inyectado o infundido. Se pueden utilizar bolsas de vacío o moldes cerrados para mejorar la consolidación y precisión de este proceso.

Pre-Preg : en el que la tela o UD viene preimpregnada con la cantidad óptima de resina: luego debe curarse con calor en una bolsa de vacío, ya sea en un horno, es decir, solo con presión atmosférica, o, para obtener resultados aún mejores, con presión y calor adicionales en un Autoclave , que es como se usa ahora la mayoría de las aplicaciones de cf.

Moldeo por transferencia de resina : esta tercera versión permite un uso óptimo de la resina inyectándola en moldes preestablecidos (con mate) y aspirados. Otra variante de esto es el carbono "forjado", en el que se coloca una "pasta" o una hebra cortada en un molde de compresión al que luego se le inyecta resina.

La clave para los componentes livianos de fibra de carbono (reforzados) es no tener demasiada resina y el tercer proceso de RTM la optimiza.

Hay diferentes tipos de fibras disponibles, que van desde hebras rígidas pero más quebradizas de módulo alto, hasta fibras de módulo intermedio extremadamente fuertes, pero de menor rigidez, y hasta fibras de módulo bajo, más comunes y más baratas, de resistencia y rigidez relativamente bajas, que se utilizan, por ejemplo, en la fabricación de masas. Se fabrican cañas de pescar, raquetas de tenis, etc. de 'carbono'. Están disponibles diferentes tejidos de estera (p. ej., liso, sarga, satén, etc.) además del UD y, a veces, incluyen otros materiales como fibras de vidrio o aramida o mejoras cosméticas. La tela y el UD se pueden colocar direccionalmente para brindar características de resistencia específicas de manera anisotrópica (dependiendo de la dirección) para ciertas áreas, y se pueden combinar en diferentes capas para brindar propiedades compuestas. En estructuras complejas, como las bañeras de los automóviles de Fórmula 1, se utilizan mezclas de todos estos junto con los elementos estructurales tipo sándwich en forma de panal diseñados mediante análisis de elementos finitos para mostrar dónde se requieren las propiedades direccionales.

 

Para aplicaciones estructurales principales, se combinan capas de tejidos de módulos específicos con material de "núcleo". Suele ser un material alveolar, como aluminio o aramida Nomex, formado en una estera de tubos hexagonales, estos últimos recubiertos con resina fenólica resistente al calor, pero el "núcleo" también puede ser rellenos tan simples como madera contrachapada o balsa. Estos centros intercalados añaden espesor, por lo tanto aumentan la rigidez a la flexión y la resistencia al pandeo de las delgadas capas de fibra de carbono y permiten que el material se use en una variedad de áreas que soportan peso, como paneles de cola de aviones, monocascos de Fórmula Uno o asientos o cabezales de motocicletas. . Hay docenas de sistemas de resina diferentes que también se pueden adaptar a aplicaciones individuales, de modo que se puede prescribir una variedad casi infinita de compuestos para aplicaciones estructurales y cosméticas específicas. La razón de ser de toda esta variedad de compuestos son, por supuesto, las propiedades de los materiales, que ofrecen ventajas considerables en ligereza y resistencia sobre las distintas aleaciones de acero y aluminio. Los valores típicos aparecen a continuación.

	RESISTENCIA A LA TRACCIÓN	DENSIDAD	RESISTENCIA ESPECÍFICA
FIBRA DE CARBÓN	3.50	1,75	2.00
ACERO	1.30	7,90	0,17

Como puede verse, la fibra de carbono tiene una resistencia a la tracción casi 3 veces mayor que la del acero y, sin embargo, es 4,5 veces menos densa (¡más ligera!). Cuando se combina con núcleos triturables y deformación por carga diseñada, la fibra de carbono ha demostrado ser invaluable como estructura de absorción de impactos incluso para áreas pequeñas como los conos de nariz. Su valor en ligereza ha visto su adopción en las principales estructuras de aviones, como el nuevo Dreamliner 787 de Boeing y el Airbus 380, hasta el punto de provocar escasez de alfombra y a pesar de las limitaciones y costos de producción.

Parte 2: Fibra de carbono en motocicletas

Muchas personas en el Gran Premio de Motociclismo de Checoslovaquia de 1990 quedaron intrigadas al ver el debut de un nuevo concepto de ingeniería único en el garaje del equipo italiano Cagiva.

El colorido pero experimentado piloto de esta moto, Randy Mamola, debutaría con la C590 500 de dos tiempos como la primera moto de Gran Premio con un chasis íntegramente de fibra de carbono. En lugar de las vigas de aluminio fabricadas de serie que mantenían todo unido, la moto presentaba un aro negro brillante del material exótico que había revolucionado el mundo de las carreras de coches en los años 1980. Si bien la fibra de carbono se había adoptado fácilmente para sustituir a la fibra de vidrio como material elegido para los carenados de las carrocerías, recién ahora se estaba introduciendo como un elemento totalmente estructural.

La moto también correría con el nuevo chasis en el siguiente GP de Hungría, pero los problemas de adaptación al nuevo material hicieron que posteriormente se dejara de lado. En el fragor del Gran Premio, con la moto ofreciendo características de manejo inusuales, el pequeño equipo no tuvo el tiempo ni el presupuesto para perseverar con el nuevo chasis y volvió al marco de metal.

Si bien la fibra de carbono había existido en las carreras de Fórmula Uno durante casi diez años, muy pocas motocicletas la incorporaban, por lo que Cagiva tenía pocos datos prácticos a los que recurrir. Sin embargo, unos años antes de que las motos de GP se acostumbraran al material, varios pequeños fabricantes especializados se habían dado cuenta de los principales beneficios que podía ofrecer la fibra de carbono. Quizás el más destacado de ellos fue el V-twin de carreras del arquitecto neozelandés John Britten. Evolucionó a lo largo de varias iteraciones diferentes, la bicicleta presentaba horquillas delanteras, basculante y asiento totalmente estructurales de fibra de carbono desde 1987 en adelante y culminó en la versión final de 1991 que ganó ocho veces en Daytona y el Campeonato Mundial BEARS de 1995, además de ser una Exposición estrella en el Guggenheims “El arte del motociclismo”. Desde su segundo prototipo (“aero d-one”) Britten había utilizado fibra de carbono para sostener el motor y unir los sistemas de suspensión delantera y trasera. En 1992, la moto se había refinado hasta un mínimo de semicarenado con un motor de diseño y fabricación propia, un basculante de fibra de carbono y una horquilla delantera de fibra de carbono en lugar de las telescópicas convencionales, todo con el fin de maximizar la resistencia y minimizar el peso.

Compitiendo contra los británicos en el World BEARS (Serie de carreras británica, europea y americana) estaba el Tayormade/Saxon Triumph que, aunque presentaba un marco tubular de aluminio, hacía un uso extensivo de fibra de carbono en su envolvente carrocería que conducía el aire hacia la parte trasera. radiador.

Fue diseñado por John McQuilliam, quien avanzó en sus conocimientos de fibra de carbono hasta convertirse en diseñador jefe en el Jordan Grand Prix (que ahora se ha transformado en Aston Martin F1 a través de Force India). John también estuvo involucrado en ese momento (1993) con otro prototipo de fibra de carbono de los especialistas británicos en cuadros Hejira que era una copia de su marco de vigas de aleación de acero. Al igual que el Cagiva, este fue probado y archivado. La Triumph también montaba ruedas centrales modulares de aluminio y llantas de fibra de carbono. El Britten también corrió sobre aros totalmente compuestos no muy diferentes a los que ahora ofrecen la compañía británica Dymag y la sudafricana Blackstone Tek. El beneficio de estas ruedas son las considerables ventajas de manejo de menos inercia y una masa sin resorte mucho más ligera con mayor resistencia que las ruedas de carrera de magnesio forjadas o fundidas equivalentes.

El uso de fibra de carbono estructural se limitó a estos pequeños especialistas independientes. Muy pocas bicicletas de producción han incluido fibra de carbono y mucho menos estructuralmente debido al gran coste del material y su aversión a la fabricación automatizada. El uso más consistente del material ha sido en carenados de carreras, que también han aparecido en algunas bicicletas de carretera como Bimotas como paneles cosméticos (es decir, no estructurales). Bimota también ha producido guardabarros en fibra de carbono al igual que Ducati. Ninguna bicicleta de carretera de producción ha utilizado fibra de carbono estructuralmente, excepto Ducati para las cajas de aire en sus Superbikes 916 de producción limitada para agregar rigidez al cuadro y la Bimota SB8-R/K de producción limitada introducida por primera vez en 1997, que tiene un cuadro de aluminio atornillado a Placas de basculante de fibra de carbono. Sin embargo, este último también cae en la trampa de imitar un material diferente al tener facetas y muescas como si estuvieran mecanizadas a partir de un tocho, lo que lleva a sospechar que el núcleo de las placas era de aluminio sólido en lugar de un panal, en cuyo caso esto fue una pequeña estafa.

Honda causó un gran revuelo en 1992 con su edición limitada NR750 que, además de su exclusivo motor de pistón ovalado, presentaba una carrocería envolvente de fibra de carbono con prominentes calcomanías "CFRP". Este ahorro de peso se perdió un poco en el paquete general, ya que la bicicleta todavía pesaba más de 220 kg.

Desde mediados de los años 90, varios proveedores de repuestos ofrecieron piezas no estructurales, como cubiertas y guardabarros, a medida que el material se hizo más conocido y disponible, y obviamente se inspiró en su uso en carreras. De hecho, la fibra de carbono se volvió tan venerada a finales de los años 90 que muchas bicicletas de producción presentaban molduras de plástico producidas en masa decoradas con calcomanías con patrones de fibra de carbono falsas y de apariencia barata. Para entonces, muchos equipos de carreras también utilizaban el material para algo más que la carrocería y los frenos: significativamente en aplicaciones estructurales para las unidades traseras y para cubiertas y cajas de árboles de levas. Igualmente significativo fue el hecho de que la mayoría había evitado los componentes principales del chasis y el basculante a pesar del éxito de modelos únicos como el Britten, aunque este no había corrido a nivel de GP. Así que 17 años después del debut original de la fibra de carbono en el más alto nivel de las carreras y sólo una moto de Gran Premio (la Ducati 2009 de Casey Stoner) utilizó fibra de carbono para las estructuras principales del chasis y el basculante. Esta bicicleta presentaba un chasis combinado con caja de aire de carbono que sostenía el cabezal directamente desde el motor V4. Posteriormente, las motos Ducati GP volvieron a tener estructuras metálicas, pero avanzamos hasta 2023 y encontramos al fabricante austriaco KTM introduciendo un nuevo cuadro de fibra de carbono en un esfuerzo por ganar el campeonato.

Pero, ¿por qué los otros equipos a la vanguardia del diseño de motocicletas han considerado oportuno investigar el material una vez más? Para responder a esto, debemos volver a la primera motocicleta Cagiva GP (Suzuki también probó un chasis de fibra de carbono cortado y cerrado en ese momento, nuevamente abandonado) y mirar más de cerca las historias paralelas del diseño de motocicletas de GP y el diseño de autos de carreras.

Cagiva tenía estrechos vínculos con Ferrari y esta conexión había fomentado el cruce de ingeniería, la lógica era: “La fibra de carbono es muy cara pero funciona de manera brillante como estructura principal para los autos de Fórmula; ¿seguramente puede hacer lo mismo para las motocicletas de GP? " La Fórmula Uno conoció este material por primera vez en 1981, cuando tanto Lotus como McLaren debutaron con autos con chasis de fibra de carbono. El Lotus fue algo tosco al replicar el anterior monocasco de lámina de aluminio con láminas de fibra de carbono cortadas y dobladas, pero el MP4/1 de McLaren mostró el futuro en una cabina moldeada más sofisticada de la compañía aeroespacial estadounidense Hercules. Las ventajas de una estructura más ligera, más resistente y que se prestaba a un perfil aerodinámico más suave fueron inmediatamente evidentes. Dos beneficios cruciales en su adopción universal para las carreras de alto nivel son su rigidez y su potencial para incorporar estructuras de choque de deformación controlada. También fue significativo que esto ocurriera en un deporte donde el costo no era necesariamente un problema.

 

Sin embargo, estos dos factores estructurales clave no son necesarios de la misma manera en las motocicletas: Las estructuras protectoras no son aplicables a un vehículo de carreras abierto de dos ruedas: el conductor no está atado al vehículo y queda solo en caso de accidente. . De hecho, el CF se utiliza en áreas pequeñas de guantes, botas y protecciones corporales por esta razón – ¡y también por su estilo! Los cascos protectores también cuentan con un tratamiento de fibra de carbono con lo mejor de la última generación de protección para la cabeza con fibra de carbono para la carcasa principal.

 

Las cualidades principales de alta resistencia y peso ligero son atractivas, pero aunque ofrecen menos peso, la fibra de carbono puede fácilmente ser demasiado fuerte para una aplicación determinada si solo se trata de estructuras metálicas. Cuando CF pasó por primera vez a las motocicletas Grand Prix, la tendencia era aumentar la rigidez de los marcos de aluminio para hacer frente a las fuerzas contemporáneas del caucho y la suspensión. El salto que realizó Cagiva fue el siguiente paso lógico en la construcción, especialmente a la luz del uso del material por parte de la Fórmula Uno. Pero en retrospectiva se muestra que a medida que las carreras de motos progresaron durante los siguientes años con aumentos equivalentes en el rendimiento de los neumáticos, los chasis muy rígidos eran en realidad contraproducentes, particularmente cuando se inclinaban sobre lugares donde el recorrido de la suspensión se veía gravemente comprometido. En ángulos de inclinación extremos, los resortes y amortiguadores delanteros y traseros son casi completamente ineficaces para controlar la absorción de golpes, aunque aún pueden reaccionar a la transferencia de peso hacia adelante y hacia atrás. En tales condiciones, lo que se necesita es cierta flexión tanto en la suspensión como en el propio chasis.

Cagiva descubrió esto en esas dos carreras allá por 1990, cuando Mamola y el segundo piloto Ron Haslam encontraron que la configuración de la suspensión y la retroalimentación del cuadro de carbono eran tan fundamentalmente diferentes que sus ajustes normales de bicicleta y suspensión ya no funcionaban y que el La bicicleta planteó más preguntas de las que respondió. Aunque abandonaron rápidamente el chasis, esto no impidió que Cagiva perseverara con los basculantes de fibra de carbono, lo que permitió reducir el peso no suspendido, hasta la retirada del equipo de los GP en 1995.

A pesar de este inconveniente, la mayoría de las bicicletas de carreras desde mediados de los 90 han utilizado un buen porcentaje de fibra de carbono en otras áreas. Además de los carenados de la carrocería, fabricados lo más finos y ligeros posible, pero capaces de soportar ráfagas de 350 km/h, este material incluye multitud de soportes, guardabarros y cubiertas del motor. La fibra de carbono ha reemplazado el subchasis trasero de aluminio separado que soporta el piloto y la carrocería trasera combinándolos en un todo autoportante, además de usarse para reforzar las cajas de aire, los tanques de combustible y los escapes. Tanto los equipos Aprilia como Ducati motoGP han probado los exteriores de la horquilla delantera de fibra de carbono de 42 mm de diámetro, aunque las razones para no usarlos de manera constante probablemente se deban a problemas causados ​​por diferentes relaciones de rigidez o simplemente a que no vieron una mejora general con respecto a la última especificación. y manguitos de aluminio de mayor diámetro (hasta 50 mm). El uso más maduro de la tecnología del carbono ha sido en los sistemas de frenos de carrera derivados a mediados de los años 80 de los sistemas de aviones comerciales y el uso obligatorio en la F1. Sin embargo, estos discos de carbono-carbono son completamente inadecuados para su uso en carretera debido a los requisitos de temperatura de funcionamiento (300 – 600 grados C). También son particularmente costosos debido al largo proceso de producción (de 3 a 6 meses de horneado por infiltración de vapor de carbono), con un costo por disco de casi $ 5000. Las motos de GP suelen correr con cubiertas de fibra de carbono para retener el calor en las superficies de los discos de carbono y, si se declara una carrera en mojado, prescindir de ellas por completo en favor de discos de acero y pastillas adecuadas. Las ruedas de carbono están prohibidas en las carreras de GP, pero para aplicaciones en carretera ofrecen reducciones en la inercia rotacional, las fuerzas giroscópicas y el peso no suspendido. Lo que estamos viendo en estos usos compuestos es una orientación más específica de las propiedades del material para un requisito de ingeniería determinado.

 

El error que cometerían Cagiva y otros al considerar originalmente el uso de compuestos fue replicar fabricaciones metálicas en fibra de carbono. El nuevo material era completamente diferente en sus propiedades físicas al aluminio, entonces, ¿por qué duplicar el diseño físico de las piezas metálicas? Es cierto que esto es lo que hicieron inicialmente varios equipos de coches, pero rápidamente maduraron en el uso tecnológico para explotar mejor las características únicas de la fibra de carbono. A pesar del requisito superfluo de protección contra choques, la relación resistencia-peso de los materiales aún puede ofrecer ventajas si se usa adecuadamente. Como Ducati se ha dado cuenta con la ayuda del ex diseñador de F1 Alan Jenkins (Arrows, Stewart), ha llegado el momento de que el motociclismo reevalúe la fibra de carbono. El legado de los primeros intentos de Cagiva (y también Suzuki) de crear un chasis de fibra de carbono hasta ahora había sido que el motociclismo abandonara la fibra de carbono. Esto se ha reflejado en cierta medida en experimentos con sistemas de suspensión delantera alternativos, y también se han encontrado deficiencias en intentos pioneros como los de los corredores de la serie Elf. Irónicamente, esa bicicleta destacada, la Britten, combinaba ambas tecnologías más nuevas. Los problemas con estos experimentos han significado una reversión a las tecnologías extremadamente desarrolladas de horquillas delanteras telescópicas y chasis de vigas de aluminio de flexión controlada. Una mejor comprensión del material de fibra de carbono y una ingeniería más sofisticada, particularmente en la aplicación de tejidos direccionales, módulos variables y estructuras centrales, significan que el diseño debe revisarse. Su uso no debe ser simplemente el de sustituir estructuras metálicas sino su aplicación adecuada. La cuestión clave de la flexión controlada del chasis y del basculante ahora se puede abordar con la disposición direccional y las posibilidades de autoamortiguación dentro de la estructura. Algunos grupos de resinas ofrecen actualmente cualidades de histéresis, pero el desarrollo podría suponer mayores avances en la "amortiguación química". Son estas mezclas las que KTM perfeccionará en su nueva moto.

Esta resonancia de las estructuras, separada de las propias frecuencias y amortiguación de los resortes de absorción de golpes, ha demostrado ser un tema crítico en los últimos años, y los pilotos de GP se quejan de "chatter". Se trata de una vibración de baja frecuencia no amortiguada causada por la incompatibilidad entre el neumático, la suspensión y el cuadro y, a menudo, se eleva cuando se introducen nuevos compuestos de neumáticos, lo que genera una discrepancia entre los modos de vibración del neumático, la suspensión y el chasis, lo que provoca una inestabilidad muy similar a la del Cagiva. En 1990 se tenía un chasis más rígido. Como han demostrado los desarrollos recientes, el diseño general de la bicicleta no debe verse como componentes de ingeniería separados, sino como un todo orgánico con distintos grados de flexibilidad, resonancia y amortiguación.

El compuesto de fibra de carbono es ideal para abordar estos problemas y las construcciones simbióticas. ¡Y todavía luce realmente genial!

Escrito por John Keogh Diseño.