Geschiedenis van koolstofvezel

The Black Stuff: een geschiedenis van het gebruik van koolstofvezel in motorfietsen

Deel 1: Koolstofvezel – de wetenschap

' Composietmateriaal' betekent voor veel mensen glasvezel- of koolstofvezelversterkte epoxyhars, maar een echte definitie van een composiet is elke twee materialen die samen worden gecombineerd om een ​​nieuw materiaal met unieke eigenschappen te maken. Deze materialen kunnen van alles zijn, van gras tot verschillende kunststoffen en metalen in metaalmatrices – in feite alles waarbij twee stoffen worden samengevoegd om nieuwe structurele eigenschappen te verkrijgen. Het is eerder een mechanische dan een chemische definitie.

Koolstofvezelversterkte kunststof (CFRP) is het meest bekende composiet geworden dankzij het gebruik ervan in vliegtuigen, raceauto's en als cosmetische lichtgewicht onderdelen op tal van producten. De belangrijkste eigenschappen, naast alle metalen (zelfs titanium), zijn ultrasterk en ultralicht. (Eigenlijk kan het, net als bij Stell Alloys, variabele sterkte- en gewichtseigenschappen hebben, afhankelijk van de specifieke toepassingsvereisten). Het blijft relatief duur vanwege de complexe chemische productie en arbeidsintensieve productie. Koolstofvezel werd uitgevonden door Engelse scheikundigen - met name Lesley Phillips bij wat RAE Farnborough heette - kort na de Tweede Wereldoorlog, maar werd pas algemeen overwogen toen de Standard Oil Company het Sohio-proces van amonoxidatie van propeen (of propyleen) en ammoniak perfectioneerde. Bij de vorige productie was waterstofcyanide betrokken, met duidelijke problemen en geen bijzonder goede opbrengsten. Deze productie van acrylonitril wordt vervolgens gepolymeriseerd waarbij de strengen worden uitgerekt en verder geoxideerd voordat ze bij 2500 graden C in een stikstofrijke atmosfeer worden gebakken om het plastic om te zetten in koolstof of grafiet. Deze materiaalstrengen worden vervolgens samengeweven om de koolstofvezelmat te vormen of uitgespreid om stroken parallelle vezels te vormen, bekend als UD (Uni-Directional). Deze vormen de basis voor het maken van componenten wanneer de vezels worden gecombineerd met thermohardende hars en uitgehard. Harsen zijn voornamelijk epoxy, omdat de eigenschappen beter aansluiten bij de prestaties van de strengen, hoewel soms polyester en vinylester worden gebruikt.

Er zijn een aantal variabelen die een rol spelen bij het overwegen van op koolstofvezels gebaseerde structuren. Ten eerste zijn er drie hoofdtypen voor het uitharden van de twee componenten:

Nat leggen : dit is hetzelfde als de basisproductie van glasvezel, waarbij droge stoffen of vezels in een mal worden gelegd en hars gemengd met vloeibare verharder of katalysator handmatig wordt toegevoegd met een kwast, roller of spuit, of, bij betere processen, mechanisch geïnjecteerd of geïnfuseerd. Vacuümzakken of gesloten mallen kunnen worden gebruikt om de consolidatie en nauwkeurigheid van dit proces te verbeteren.

Pre-Preg : waarbij het doek of UD vooraf is geïmpregneerd met de optimale hoeveelheid hars: dit moet vervolgens worden uitgehard in een vacuümzak, hetzij in een oven, dwz alleen onder atmosferische druk, of, om nog betere resultaten te verkrijgen, met extra druk en warmte in een autoclaaf , zoals de meeste toepassingen van cf nu gebruiken.

Resin-Transfer Molding : deze derde versie maakt een optimaal harsgebruik mogelijk door deze in vooraf opgelegde (met matte) en vacuümgezogen mallen te injecteren. Een verdere variant hiervan is 'gesmede' koolstof waarbij een cf 'pasta' of gehakte streng in een compressiematrijs wordt geplaatst die vervolgens wordt geïnjecteerd met hars.

De sleutel voor lichtgewicht koolstofvezel (versterkte) componenten is om geen overmatig hars te gebruiken en het derde proces van RTM optimaliseert dit.

Er zijn verschillende soorten vezels beschikbaar, variërend van stijve maar brosse strengen met hoge modulus via extreem sterke, maar lagere stijfheid, middelmatige modulus en tot de meer gebruikelijke en goedkopere, relatief lage sterkte en stijfheid, vezels met lage modulus, bijvoorbeeld gebruikt in massa- geproduceerde 'carbon' hengels, tennisrackets etc.. Er zijn verschillende matweefsels beschikbaar – bijv. effen, keperstof, satijn, etc. – naast UD en soms ook met andere materialen zoals glas- of aramidevezels of cosmetische verbeteringen. Het doek en de UD kunnen directioneel worden gelegd om voor bepaalde gebieden anisotropisch (afhankelijk van de richting) specifieke sterkte-eigenschappen te geven, en kunnen in verschillende lagen worden gecombineerd om samengestelde eigenschappen te verkrijgen. In complexe constructies zoals Formule 1-autokuipen worden mengsels van al deze elementen gebruikt, samen met de structurele honingraatsandwichelementen die zijn ontworpen met behulp van Eindige Elementenanalyse om te laten zien waar de richtingseigenschappen vereist zijn.

 

Voor de belangrijkste structurele toepassingen worden lagen van specifieke moduli-weefsels gecombineerd met 'kern'-materiaal. Dit is meestal honingraatmateriaal zoals aluminium of Nomex-aramide, gevormd tot een mat van zeshoekige buizen, de laatste bedekt met hittebestendige fenolhars, maar de 'kern' kan ook eenvoudig vulmateriaal zijn als multiplex of balsa. Deze ingeklemde centra zorgen voor extra dikte en verhogen daardoor de buigstijfheid en knikweerstand van de dunne koolstofvezelhuiden, waardoor het materiaal kan worden gebruikt in een verscheidenheid aan volledig gewichtdragende gebieden, zoals staartpanelen van vliegtuigen, monocoques uit de Formule 1 of motorfietsstoelen of headstocks. . Er zijn tientallen verschillende harssystemen die ook op individuele toepassingen kunnen worden afgestemd, zodat een vrijwel oneindige verscheidenheid aan composieten kan worden voorgeschreven voor specifieke structurele en cosmetische toepassingen. De hele bestaansreden voor al deze verscheidenheid aan composieten zijn uiteraard de materiaaleigenschappen die aanzienlijke voordelen bieden qua lichtheid en sterkte ten opzichte van de verschillende staallegeringen en aluminium. Typische waarden verschijnen hieronder.

	TREKSTERKTE	DIKTE	SPECIFIEKE STERKTE
KOOLSTOFVEZEL	3,50	1,75	2.00
STAAL	1.30	7,90	0,17

Zoals u kunt zien, heeft koolstofvezel een treksterkte die bijna drie keer groter is dan die van staal, maar toch 4,5 keer minder dicht (lichter!). In combinatie met samendrukbare kernen en vervorming door ontworpen belasting is koolstofvezel van onschatbare waarde gebleken als schokabsorberende structuur, zelfs voor kleine oppervlakken zoals neuskegels. De waarde ervan in lichtheid is toegepast in grote vliegtuigconstructies zoals Boeing's nieuwe Dreamliner 787 en de Airbus 380, in die mate dat tekorten aan de mat ontstaan, ondanks de beperkingen en kosten van de productie.

Deel 2: Koolstofvezel in motorfietsen

Veel mensen tijdens de Tsjechoslowaakse Motorcycle Grand Prix van 1990 waren geïntrigeerd toen ze het debuut zagen van een uniek nieuw technisch concept in de garage van het Italiaanse Cagiva-team.

De kleurrijke maar ervaren rijder Randy Mamola zou de C590 tweetakt 500 debuteren als de eerste GrandPrix-fiets met een volledig koolstofvezelchassis. In plaats van de standaard vervaardigde aluminium balken die alles bij elkaar hielden, was de motorfiets voorzien van een glanzende zwarte hoepel van het exotische materiaal dat in de jaren tachtig een revolutie teweegbracht in de autoracewereld. Hoewel koolstofvezel al snel werd aangenomen ter vervanging van glasvezel als materiaal bij uitstek voor stroomlijnkappen voor carrosserieën, werd het nu pas geïntroduceerd als een volledig structureel element.

De motor zou ook met het nieuwe chassis racen tijdens de volgende Hongaarse GP, maar door problemen met de aanpassing aan het nieuwe materiaal werd hij vervolgens op de plank gelegd. In de hitte van de Grand Prix-races waarbij de motor ongebruikelijke rijeigenschappen had, had het kleine team niet de tijd of het budget om door te gaan met het nieuwe chassis en keerde terug naar het metalen frame.

Hoewel koolstofvezel al bijna tien jaar in de Formule 1-autoraces bestond, waren er maar heel weinig motorfietsen met koolstofvezel uitgerust – er waren daarom weinig praktische gegevens waar Cagiva zich op kon baseren. Maar een paar jaar voordat GP-fietsen met het materiaal vertrouwd raakten, hadden een aantal kleine gespecialiseerde fabrikanten zich gerealiseerd welke grote voordelen koolstofvezel zou kunnen bieden. Misschien wel het meest opvallende hiervan was de zelfgekweekte V-twin-racer van de Nieuw-Zeelandse architect John Britten. De motorfiets, die in een aantal verschillende iteraties was geëvolueerd, had vanaf 1987 een volledig structurele voorvork, een swingarm en een zadel van koolstofvezel en culmineerde in de definitieve versie uit 1991, die acht keer won in Daytona en in 1995 het BEARS Wereldkampioenschap. stertentoonstelling in het Guggenheims “The Art of Motorcycling”. Vanaf zijn tweede prototype (“aero d-one”) had Britten gebruik gemaakt van koolstofvezel om zowel de motor te ondersteunen als de voor- en achterwielophanging te verbinden. In 1992 was de motorfiets verfijnd tot een minimum met een half kuipje, met een zelf ontworpen en gebouwde motor, een achterbrug van koolstofvezel en een voorvork van koolstofvezel in plaats van conventionele telescopen, allemaal met het oog op het maximaliseren van de sterkte en het minimaliseren van het gewicht.

Racen tegen de Britten in de World BEARS - British, European en American Racing Series - was de Taylormade/Saxon Triumph die, hoewel hij een aluminium buizenframe had, uitgebreid gebruik maakte van koolstofvezel in zijn omhullende carrosserie die lucht naar de achteraan gemonteerde auto leidde radiator.

Dit werd ontworpen door John McQuilliam, die zijn kennis van koolstofvezel verder ontwikkelde en hoofdontwerper werd bij de Jordan Grand Prix (die nu via Force India is veranderd in Aston Martin F1). John was destijds (1993) ook betrokken bij een ander koolstofvezelprototype van de Britse framespecialist Hejira, een kopie van hun balkframe van staallegering. Net als de Cagiva werd dit uitgeprobeerd en op de plank gelegd. De Triumph had ook modulaire koolstofvezelvelgen / aluminium middenwielen. De Britten reden ook op volledig samengestelde hoepels die niet veel verschilden van de ringen die nu worden aangeboden door het Britse bedrijf Dymag en het Zuid-Afrikaanse Blackstone Tek. Het voordeel van dergelijke wielen zijn de aanzienlijke handlingvoordelen van minder traagheid en een veel lichtere on-veermassa met grotere sterkte dan gelijkwaardige gegoten of gesmede magnesium racewielen.

Het gebruik van structurele koolstofvezel bleef beperkt tot deze kleine, onafhankelijke specialisten. Zeer weinig productiefietsen zijn überhaupt voorzien van koolstofvezel, laat staan ​​structureel vanwege de enorme kosten van het materiaal en de afkeer van geautomatiseerde productieproductie. Het meest consistente gebruik van het materiaal vond plaats in racestroomlijnkappen, die ook op een paar racefietsen zoals Bimotas voorkomen als cosmetische panelen (dwz niet-structureel). Bimota heeft net als Ducati ook spatborden van koolstofvezel geproduceerd. Geen enkele productieracefiets heeft structureel koolstofvezel gebruikt, behalve Ducati voor de airboxen van hun 916 Superbikes in beperkte oplage om het frame steviger te maken, en de in beperkte productie geproduceerde Bimota SB8-R/K die voor het eerst werd geïntroduceerd in 1997 en een aluminium frame heeft dat met bouten is vastgeschroefd. achterbrugplaten van koolstofvezel. Deze laatste loopt echter ook in de val van het nabootsen van een ander materiaal door facetten en inkepingen te hebben alsof ze uit knuppel zijn vervaardigd, wat doet vermoeden dat de kern van de platen uit massief aluminium bestond in plaats van uit honingraat, in welk geval dit een beetje een oplichterij was.

Honda maakte in 1992 grote indruk met de gelimiteerde editie van de NR750, die, naast zijn unieke ovale zuigermotor, een volledig omhullende carrosserie van koolstofvezel had met prominente 'CFRP'-emblemen. Deze gewichtsbesparing ging enigszins verloren in het totale pakket, aangezien de fiets nog steeds meer dan 220 kg woog.

Vanaf het midden van de jaren '90 boden een aantal aftermarket-leveranciers niet-structurele onderdelen aan, zoals hoezen en spatborden, naarmate het materiaal breder bekend en beschikbaar werd en duidelijk geïnspireerd werd door het racegebruik ervan. In feite werd koolstofvezel eind jaren '90 zo vereerd dat veel productiefietsen in massa geproduceerde plastic sierdelen hadden, versierd met goedkoop ogende namaak-stickers met koolstofvezelpatroon. Tegen die tijd maakten veel raceteams ook gebruik van het materiaal voor meer dan alleen de carrosserie en de remmen: vooral in structurele toepassingen voor de staartunits en voor afdekkingen en nokkenaskasten. Even belangrijk was het feit dat de meesten de hoofdcomponenten van het chassis en de achterbrug hadden geschuwd, ondanks het succes van one-offs zoals de Britten - hoewel deze niet op GP-niveau hadden geracet. Dus 17 jaar na het oorspronkelijke debuut van koolstofvezel op het hoogste raceniveau, gebruikte slechts één Grand Prix-motor – de Ducati van Casey Stoner uit 2009 – koolstofvezel voor zowel de hoofdstructuren van het chassis als de achterbrug. Deze fiets had een gecombineerd carbon airbox-chassis dat de kop rechtstreeks van de V4-motor ondersteunde. Vervolgens keerden de Ducati GP-motoren terug naar metalen structuren, maar snel vooruit naar 2023 en we zien dat de Oostenrijkse fabrikant KTM een nieuw koolstofvezelframe binnensluipt in een poging het kampioenschap te winnen.

Maar waarom hebben de andere teams die toonaangevend zijn op het gebied van motorontwerp het nodig geacht om het materiaal opnieuw te onderzoeken? Om dit te beantwoorden moeten we teruggaan naar die eerste Cagiva GP-motor – Suzuki probeerde destijds ook een opengesneden koolstofvezelchassis, opnieuw verlaten – en nader kijken naar de parallelle geschiedenis van GP-motorfietsontwerp en raceauto-ontwerp.

Cagiva had nauwe banden met Ferrari en deze connectie had de cross-over van techniek aangemoedigd, met als logica: “Koolstofvezel is erg duur, maar werkt uitstekend als hoofdstructuur voor Formule-auto’s – kan het toch zeker hetzelfde doen voor GP-motorfietsen? ” De Formule 1 maakte voor het eerst kennis met het materiaal in 1981, toen zowel Lotus als McLaren hun debuut maakten met koolstofvezelchassis. De Lotus was enigszins grof in het repliceren van de vorige monocoque van aluminiumplaat met gesneden en gevouwen koolstofvezelplaat, maar McLaren's MP4/1 toonde de toekomst in een meer verfijnde gegoten kuip van het Amerikaanse ruimtevaartbedrijf Hercules. De voordelen van een structuur die lichter en sterker was en zich leende voor een soepelere aerodynamische profilering waren meteen duidelijk. Twee cruciale voordelen bij de universele acceptatie ervan voor racen op topniveau zijn de stijfheid en het potentieel voor het integreren van gecontroleerde vervormingscrashstructuren. Dat dit in een sport gebeurde waar de kosten niet noodzakelijkerwijs een probleem waren, was ook veelzeggend.

 

Deze twee belangrijke structurele factoren zijn echter niet op dezelfde manier vereist bij motorfietsen: Beschermende structuren zijn niet van toepassing op een open tweewielige racer - de rijder is niet vastgebonden aan het voertuig en wordt aan zijn lot overgelaten in het geval van een crash . Om deze reden wordt CF in kleine ruimtes gebruikt op handschoenen, laarzen en kogelvrije vesten – en opnieuw vanwege de modieuze eigenschappen! Er zijn ook beschermende helmen binnengekomen voor de koolstofvezelbehandeling met het beste van de nieuwste generatie hoofdbescherming met koolstofvezel voor de hoofdschaal.

 

De primaire kwaliteiten van hoge sterkte en lichtgewicht zijn aantrekkelijk, maar hoewel koolstofvezel minder gewicht biedt, kan het te gemakkelijk te sterk zijn voor een bepaalde toepassing als het alleen maar spiegelt aan metalen structuren. Toen CF voor het eerst overstapte op Grand Prix-motorfietsen was de trend om de stijfheid van de aluminium frames te vergroten om de hedendaagse krachten op het gebied van rubber en ophanging het hoofd te kunnen bieden. De sprong die Cagiva maakte was een logische volgende stap in de constructie, vooral in het licht van het gebruik van het materiaal in de Formule 1. Maar achteraf gezien blijkt dat naarmate het wielrennen de komende jaren vorderde met een overeenkomstige verbetering van de bandenprestaties, een zeer stijf chassis feitelijk contraproductief was, vooral als het over een helling ging waar de veerweg ernstig in gevaar werd gebracht. Onder extreme hellingshoeken zijn de voor- en achterveren en dempers vrijwel volledig ineffectief bij het beheersen van de schokabsorptie, hoewel ze nog steeds kunnen reageren op gewichtsoverdracht naar voren en naar achteren. Onder dergelijke omstandigheden is wat nodig is een mate van flexibiliteit, zowel in de ophanging als in het chassis zelf.

Cagiva ontdekte dit tijdens die twee races in 1990, toen Mamola en tweede rijder Ron Haslam de afstelling van de ophanging en de feedback van het carbonframe zo fundamenteel anders vonden dat hun normale fietsaanpassingen en ophangingsinstellingen niet langer werkten en dat de De fiets riep meer vragen op dan hij beantwoordde. Hoewel ze het chassis snel achterwege lieten, weerhield dit Cagiva er niet van om door te gaan met koolstofvezel achterbruggen, waardoor een onafgeveerde gewichtsvermindering mogelijk was, tot de terugtrekking van het team uit de GP's in 1995.

Ondanks dit probleem hebben de meeste racefietsen sinds het midden van de jaren '90 op andere gebieden een goed percentage koolstofvezel gebruikt. Naast de stroomlijnkappen van de carrosserie die zo dun en licht mogelijk zijn gemaakt en toch een windstoot van 350 km/u kunnen weerstaan, zijn ook een groot aantal beugels, spatborden en motorkappen van dit materiaal gemaakt. Koolstofvezel heeft het afzonderlijke aluminium subframe aan de achterkant, dat de rijder en de staartcarrosserie ondersteunt, vervangen door ze te combineren tot één zelfdragend geheel en wordt ook gebruikt om de airboxen, brandstoftanks en uitlaten te versterken. Zowel de MotoGP- teams van Aprilia als Ducati hebben voorvorkbuitenkanten van koolstofvezel met een diameter van 42 mm geprobeerd, hoewel de redenen voor het niet consequent gebruiken hiervan waarschijnlijk te wijten zijn aan problemen veroorzaakt door verschillende stijfheidsverhoudingen of simpelweg dat ze geen algehele verbetering zagen ten opzichte van de nieuwste specificaties. en aluminium hulzen met een grotere diameter (tot 50 mm). Het meest volwassen gebruik van koolstoftechnologie vond plaats in raceremsystemen die halverwege de jaren '80 waren afgeleid van systemen voor commerciële vliegtuigen en het verplichte F1-gebruik. Deze koolstof-koolstofschijven zijn echter volledig ongeschikt voor gebruik op de weg vanwege de bedrijfstemperatuurvereisten (300 – 600 graden C). Ze zijn ook bijzonder duur vanwege het langdurige productieproces – 3-6 maanden bakken met koolstofdampinfiltratie – waarbij de kosten per schijf bijna $ 5000 bedragen. GP-fietsen zijn vaak voorzien van koolstofvezelmantels om de warmte vast te houden in de koolstofschijfoppervlakken en als er een natte race wordt uitgeroepen, worden deze helemaal achterwege gelaten ten gunste van stalen schijven en geschikte remblokken. Carbonwielen zijn verboden in GP-races, maar voor wegtoepassingen bieden ze vermindering van de rotatietraagheid, gyroscopische krachten en onafgeveerd gewicht. Wat we zien bij deze composiettoepassingen is een meer specifieke targeting van materiaaleigenschappen voor een bepaalde technische vereiste.

 

De fout die Cagiva en anderen zouden maken toen ze aanvankelijk het gebruik van composiet overwogen, was het repliceren van metaalconstructies in koolstofvezel. Het nieuwe materiaal was qua fysieke eigenschappen totaal anders dan aluminium, dus waarom zou je de fysieke lay-out van de metalen onderdelen dupliceren? Toegegeven, dit is wat een aantal autoteams aanvankelijk deden, maar ze ontwikkelden al snel het technologische gebruik om de unieke eigenschappen van koolstofvezel beter te benutten. Ondanks de overbodige eis aan crashbescherming kan de sterkte-gewichtsverhouding van het materiaal bij juist gebruik toch voordelen bieden. Zoals Ducati met de hulp van ex-F1-ontwerper Alan Jenkins (Arrows, Stewart) heeft gerealiseerd, is de tijd rijp voor motorrijders om koolstofvezel opnieuw te evalueren. De erfenis van Cagiva (en ook Suzuki)'s vroege pogingen tot een chassis van koolstofvezel tot nu toe was dat motorrijden koolstofvezel achter zich liet. Dit wordt enigszins weerspiegeld in experimenten met alternatieve voorwielophangingssystemen, waarbij baanbrekende pogingen, zoals de racers uit de Elf-serie, ook tekortschoten. Ironisch genoeg combineerde die opvallende fiets, de Britten, beide nieuwere technologieën. De problemen met deze experimenten hebben geleid tot een terugkeer naar de extreem goed ontwikkelde technologieën van telescopische voorvorken en een chassis met gecontroleerde flexibele aluminium balken. Een beter begrip van koolstofvezelmateriaal en meer geavanceerde techniek, vooral bij de toepassing van directionele weefsels, variërende moduli en kernstructuren, betekenen dat het ontwerp moet worden herzien. Het gebruik ervan mag niet eenvoudigweg het vervangen van metalen constructies zijn, maar moet op de juiste manier worden toegepast. Het belangrijkste probleem van de gecontroleerde flexie van het chassis en de achterbrug kan nu worden aangepakt met een directionele lay-up en de mogelijkheden van zelfdemping binnen de structuur. Sommige harsgroepen bieden momenteel hysteresiskwaliteiten, maar de ontwikkelingen zouden verdere vooruitgang kunnen opleveren op het gebied van 'chemische demping'. Het zijn deze mengsels die KTM zal perfectioneren op hun nieuwe fiets.

Deze resonantie van structuren, los van de eigen frequenties en demping van de schokabsorberende veren, is de afgelopen jaren een cruciaal onderwerp gebleken, waarbij GP-rijders klaagden over 'chatter'. Dit is een niet-gedempte laagfrequente trilling die wordt veroorzaakt door incompatibiliteit tussen band, ophanging en frame en die vaak toeneemt wanneer nieuwe bandencompounds worden geïntroduceerd, waardoor een discrepantie ontstaat tussen de trillingsmodi van band, ophanging en chassis, wat instabiliteit veroorzaakt, net zoals die van de Cagiva plotseling veel doet. in 1990 was er een stijver chassis. Zoals recente ontwikkelingen hebben aangetoond, moet het algehele ontwerp van de motorfiets niet worden gezien als afzonderlijke technische componenten, maar als een organisch geheel met verschillende graden van flexibiliteit, resonantie en demping.

Koolstofvezelcomposiet is bij uitstek geschikt om dergelijke problemen en symbiotische constructies aan te pakken. En het ziet er nog steeds erg gaaf uit!

Geschreven door John Keogh Design.