Ako nové materiály spôsobujú revolúciu v bicykli - spektrum vedy
200 rokov série bicyklov: ľahké, bezpečné a všestranné
Ľahšie, ako je dovolené - tak by sa dalo opísať motocykel, ktorý v roku 2008 predstavil verejnosti nemecký Günter Mai. Plne jazdný závodný bicykel vážil iba 3,2 kila. Bol to svetový rekord a menej ako polovica zo 6,8 kilogramu, ktorú Medzinárodná cyklistická federácia UCI stanovuje ako minimálnu hmotnosť bicykla pre oficiálne preteky.
„Bicykel bol vždy typickým ľahkým produktom,“ hovorí Eric Groß z Inštitútu pre technológiu spoľahlivosti na Technickej univerzite v Harburgu. „Vysoká hmotnosť vozidla má veľmi negatívny vplyv nielen pri jazde do kopca, ale aj pri všeobecnej ovládateľnosti.“ Už v 19. storočí boli vyvinuté početné vynálezy najmä pre bicykle, vrátane guľkových ložísk, drôtených lúčov, oceľových rúrok a pneumatík.
Inžinier Groß je členom pracovnej skupiny pre bezpečnosť bicyklov v Nemeckej asociácii pre výskum a testovanie materiálov, pretože zníženie hmotnosti bicyklov by nemalo ísť na úkor stability a bezpečnosti. Preto sú horské bicykle robustnejšie a ťažšie ako závodné bicykle. Rozhodujúce súčasti hmotnosti sú jej veľkosť, rám a všetky zrýchlené hmoty, napríklad ráfiky.
Stabilný a ľahký sa stáva ťažkým
Ľahká konštrukcia je v zásade nezávislá od výberu materiálu, vysvetľuje Groß. Ide o to, aby bol každý komponent navrhnutý čo najlepšie pre jednotlivé zaťaženie. „Všetky komponenty - napríklad rám, vidlica, kolesá, riadidlá a sedlovka - sú špecialistami na oblasť ich použitia,“ hovorí inžinier. Pretože však rôzne materiály majú rôznu vhodnosť, na trhu s bicyklami nakoniec dominujú určité materiály.
Keď hovoríte o ľahkých bicykloch v každodennom používaní, zvyčajne myslíte na hliník. Vďaka svojej nízkej hustote 2,7 gramu na kubický centimeter vážia komponenty vyrobené z ľahkého kovu iba asi tretinu hmotnosti porovnateľných komponentov z ocele. Hliník je preto zďaleka najpredávanejším materiálom pre rámy a komponenty bicyklov súčasnosti.
„Bicykel bol vždy typickým ľahkým produktom“ (Eric Groß)
Rovnako ako oceľ alebo titán, aj hliník je izotropný materiál. To znamená, že má rovnaké chovanie v ťahu a teda rovnakú nosnosť v každom smere. Pre stabilitu je rozhodujúca hrúbka steny komponentu. Hliníkové rúrky typického diamantového rámu sa preto pohybujú v rozmedzí od 0,8 do 3 milimetrov hrúbky steny, posledne menovaná najmä v oblasti zvarových spojov. Spravidla to nie je zvonka viditeľné. „Iba štítok„ s dvojitým butted “alebo„ triple butted “označuje inú vnútornú hrúbku materiálu“, dáva tip Ericovi Grossovi.
Nevýhoda pre hliník
Slabosťou hliníka ako materiálu je, že má obmedzenú pevnosť pri zmene zaťaženia. Vo vede o materiáloch sa rozlišuje medzi pevnosťou ako vlastnosťou, ktorá bráni rozpadu materiálu, a tuhosťou, ktorá chráni materiál pred deformáciou. „S hliníkom teda môžu materiál unaviť státisíce otáčok kľuky pedála alebo hrbole vozovky,“ vysvetľuje limity sily Groß. Pokiaľ ide o dynamické zaťaženie, oceľ je tolerantnejšia ako hliník, a preto ju ešte možno nájsť v bicykloch, u ktorých sa očakáva dlhšia vzdialenosť ako 20 000 kilometrov, napríklad v cestovných bicykloch.
Preto existuje aj ľahká konštrukcia s oceľou: „Legovaná oceľ dosahuje veľmi vysokú pevnosť v ťahu, až 1 200 Newtonov na štvorcový milimeter,“ uvádza Ronny Hartnick z Inštitútu pre výskum a vývoj športového vybavenia v Berlíne. Inžinieri ho môžu použiť na veľmi tenké steny potrubia. „Stále je ťažké priblížiť sa hmotnosti hliníka,“ pripúšťa Hartnick.
Či už hliník, titán alebo oceľ: Vzhľadom na hmotnosť zostáva štrukturálny problém neriešiteľný. Pretože sú kovy izotropné, je v súčastiach veľa materiálu, ktorý nie je vôbec vyrovnaný so zaťažením, ktoré tam vzniká. Rám je teraz zaťažený v podstate v pozdĺžnom smere, nie bočne. V profesionálnom športe as profesionálnymi hráčmi sa preto ako výberové materiály osvedčili uhlíkové vlákna alebo uhlíkové vlákna a kompozity vystužené uhlíkovými vláknami (CFRP). Tvoria základ pre závodné bicykle, ktoré majú ako sériové modely celkovú hmotnosť nižšiu ako päť kíl.
Objednané vlákna
Uhlíkové vlákna sú anizotropné a nevykazujú žiadne tvarovo nezávislé správanie materiálu. Ich vlastnosti vznikajú iba v komponente ako výsledok návrhu založeného na potrebách. „Karbónové vlákna si môžete predstaviť ako niť, z ktorej je vyrobená látka,“ vysvetľuje Hartnick. V pozdĺžnom smere je tento závit viac ako desaťkrát pevnejší ako hliník - ale iba v tomto smere. Vývojári ľahkých komponentov vyrobených z uhlíka musia preto spracovať vlákna na tkaninu tak, aby boli orientované rovnobežne so smerom ťahania.
Väčšina vlákien je preto vyrovnaná rovnakým spôsobom pre rámovú rúrku. „Aby ste sa mohli dotknúť bicykla bez toho, aby sa rozpadol, na vonkajšej strane je ešte vláknová vrstva, ktorá bola otočená o 90 stupňov,“ hovorí športový inžinier Hartnick. Z rozsiahlych analýz teraz vieme, ktoré komponenty sú načítané a akým spôsobom. Napríklad spodná trubica je namáhaná krútením zo spodnej konzoly. Pre tkaninu z uhlíkových vlákien to znamená, že vlákna musia byť tkané v uhle plus/mínus 45 stupňov. „Týmto spôsobom dosiahneme maximálnu odolnosť proti torzii pri minimálnom použití materiálu,“ zhŕňa Hartnick. Ak sa v určitých oblastiach vyskytnú vysoké bodové zaťaženia, musia byť uhlíkové vlákna pokryté ďalšou vrstvou tkaniny, ktorá rozloží zaťaženie, a tým chráni uhlík.
Pre kovové aj uhlíkové rámy a komponenty platí toto: Výrobcovia musia poznať presné zaťaženie, ktoré na ne pôsobí, aby mohli správne navrhnúť svoje komponenty. Nároky na elektrokoly sú obzvlášť vysoké, pretože sú vystavené väčšiemu zaťaženiu v dôsledku vyššej priemernej rýchlosti a väčšieho počtu najazdených kilometrov. Týmto sa zaoberal výskumný projekt „TherMobility“, ktorý vypracovali spoločnosti Rehau, Storck Bicycle a TU Dresden, a vyvinul rám e-biku vyrobený z nového typu špeciálnej zmesi materiálov.
„Tu sa kontinuálne vláknami vystužené termoplastické polotovary kombinujú s formovacími formami vystuženými krátkymi vláknami v rámci integrálneho výrobného procesu,“ vysvetľuje Michael Krahl z Inštitútu pre ľahkú konštrukciu a technológiu plastov TU Dresden. Táto kombinácia materiálov, ktorá sa po prvý raz používa v rámoch bicyklov, umožňuje kombinovať vynikajúce špecifické mechanické vlastnosti vláknitých kompozitov s účinnými veľkoplošnými technológiami, ako je vstrekovanie plastov. To by mohlo pomôcť znížiť niekedy päťmiestne ceny extrémne ľahkých bicyklov. Okrem toho je možné zloženie polyméru a typ výstužného vlákna ľahko prispôsobiť individuálnym požiadavkám.
Alternatíva z prírody?
Spektrum materiálov použitých pri stavbe bicyklov však zahŕňa aj niektoré exotické. Nylonový bicykel „Airbike“ inžinierov spoločnosti Airbus slúžil iba na demonštráciu možností trojrozmerného tlačového procesu „Additive Layer Manufacturing“. Stále bol stabilný, ľahký a funkčný. Skutočné alternatívne materiály však pochádzajú z oblasti prírodných vlákien. Veľkou výhodou prírodných vlákien je ich uhlíková stopa.
„Prírodné vlákna viažu oxid uhličitý, keď rastú, čo znamená, že polotovary z prírodných vlákien uvoľňujú pri raste a výrobe polotovarov iba desatinu CO2 v porovnaní s uhlíkom,“ vysvetľuje Max Kirchhoff z technickej kancelárie Onyx Composites. Tam bol vyvinutý „konopný bicykel“. Konopné vlákna majú pevnosť v ťahu porovnateľnú s hliníkovou - ale ako uhlík iba v smere vlákien. Kvôli hustote iba 1,45 gramu na centimeter kubický končí konopný rám medzi hmotnostne porovnateľnými komponentmi vyrobenými z hliníka a uhlíkových vlákien. Rám konopného bicykla má nápadne široké trubky. „Zvyšuje sa tak moment zotrvačnosti a sily, ktoré vznikajú, sa aj napriek malej hrúbke steny lepšie absorbujú,“ vysvetľuje Kirchhoff. Zatiaľ však chýbajú niektoré kľúčové údaje potrebné pre štrukturálne analýzy pre neobvyklý materiál konope.
Osvedčená kvalita
Súčasné testovacie normy (DIN, EN a ISO) zahŕňajú testy proti preťaženiu (statická pevnosť), dynamické testy (testy odolnosti) a nárazové testy, ktoré sú prispôsobené danému typu bicykla (mestský/trekingový bicykel, horský bicykel, závodný bicykel a mládežnícke bicykle), ale tiež špeciálne Pedelecs). Uplatňovanie noriem je dobrovoľné, ale všetci známi výrobcovia používajú tento postup - v prípade vysoko kvalitných výrobkov niekedy s ešte vyššími požiadavkami. Poškodenie v dôsledku zlyhania komponentu je preto veľmi zriedkavé. „Zákazníci ľahkého bicykla by napriek tomu mali svoje vozidlo pravidelne kontrolovať alebo ho nechať skontrolovať, aby včas zistili poškodenie a v prípade pochybností vymenili diely,“ varuje bezpečnostný expert Eric Groß. Platí to najmä po pádoch.
Najobľúbenejším prírodným vláknom je pravdepodobne bambus. Patenty na výrobu bambusového bicykla boli podané už na konci 19. storočia. Konštrukcia takýchto kolies je dodnes ručnou prácou. Vlastnosti sú však presvedčivé. Bambus má tuhosť podobnú ako oceľ, ale má iba tretinu svojej hmotnosti. Jeho sila tiež dosahuje veľmi dobré hodnoty, ale ani zďaleka sa nepribližuje kvalitným karbónovým diskom. Bambus je obľúbený kvôli lepšiemu tlmeniu pre mestské a trekingové bicykle, kde dokáže kvalitatívne držať krok s hliníkovými bicyklami. Pretože bambusové triesky sa namiesto zlomenia pri nadmernom namáhaní dajú pomerne ľahko opraviť. Rovnako ako u všetkých prírodných vlákien je však dôležité dobré spracovanie, aby nemohla preniknúť žiadna vlhkosť a spôsobiť pleseň.