Neste generasjon karbonsykler?

Neste generasjon karbonsykler?

Disclaimer: Jeg er ingen ekspert på komposittmaterialer, men som ingeniør er jeg nysgjerrig og har samlet og sjekket informasjon fra forskjellige kilder for å få en oversikt for egen del. Denne artikkelen er ment som en primer på hva som kan komme av nye karbonmaterialer i sykkelkomponenter de neste årene.

Dagens produksjon av karbonkomponenter og rammer for sykler har som kjent endel utfordringer som utstrakt bruk av løsemidler, mye avfall, liten mulighet for resirkulering, mye manuelt arbeid og variabel kvalitet. Det meste av dagens karbonkomponenter produseres i Østen, noen som ikke er optimalt med tanke på lang transport til kjernemarkedene, lang ledetid og vanskelig kvalitetskontroll.

Hva er utfordringen med dagens karbonmaterialer?
Dagens karbonkomponenter og rammer er kjent som "termoset" karbon, dvs at man i tillegg til karbonfiber bruker en epoxymatriks som holder på fibrene og blir hard ved baking på høy temperatur. Resultatet er et karbonmateriale som er stivt og temperaturbestandig, men som er følsomt for skader ved velt, steinsprut eller klemming. Termoset karbon er derfor på mange måter ikke optimalt for sykkelkomponenter og de typene belastninger de utsettes for. Det finnes et alternativ, termoplastisk karbon, der epoksyen er byttet ut med et polymer (plastmateriale).

Hørt det før?
Allerede på 90-tallet ble det produsert terrengsykler med termoplastisk karbon, slik som GT STS fulldemper (som jeg faktisk har syklet på - med redsel for at den skulle knekke). Denne hadde mange gode egenskaper, men det var lite produksjonserfaring tilgjengelig for sykler og rammene sprakk opp ved muffene etter hvert. I 1998 hadde de tilsynelatende fikset problemene med 1000-DS-modellen.


Bilde: ukjent opphav.

De siste 20 årene har termoplastisk karbon blitt adoptert av blant annet for strukturelle deler i flyindustrien og det har kommet mange nye og bedre bindematerialer (polymerer). Tradisjonelt har det vært utfordrende å binde karbonfibrene godt nok til plastmaterialet. Dette er i stor grad løst med nye polymerer/bindemidler som PEKK (kostbart), men der kommer stadig nye og mindre kostbare materialer.

Resultatet er et karbonmateriale som har færre koblinger mellom fibrene. Disse egenskapene gjør at slag fordeles mer effektivt over flere fibre som da har mindre risiko for å bli ødelagt. Dette gir et sluttmateriale som derfor er mer fleksibelt og robust enn tradisjonell termoset karbon.

Legg merke til at økt fleksibilitet gjelder selve polymerbindemiddelet, og konstruksjonen totalt sett blir like stiv som tradisjonell karbon. Man vil i praksis ikke merke forskjell på stivheten mellom en termoset og en termoplastisk karbonramme, men de forskjellige produksjonsmåtene vil kunne nye muligheter til å optimalisere konstruksjoner til å bli enda lettere eller mer vibrasjonsdempende.



Selve polymermaterialet man bruker er mindre flytende og mindre "sticky" i romtemperatur enn prepreg karbon, og det kreves derfor høyere temperaturer (300-400 C) og i stor grad maskinell håndtering (roboter).

Produksjonsmåten starter ganske likt med oppbygning av karbonfiber lagvis med nøyaktig kalkulert orientering av fibrene, men det er andre produksjonsteknikker enn ved manuell termoset karbonproduksjon. Man kan for eksempel ikke bruke myke kjerner/bags i støpingen, men mer støp av halvdeler som så sveises sammen. Selve rammedelene settes så sammen med muffer/lugs.

En stor fordel med denne tilnærmingen er at man har større kontroll over hver enkelt del med materialkompresjon, fiberlag, luftbobler og materialtykkelse enn dersom man støper større rammedeler i ett stykke. Fremgangsmåten blir for øvrig stadig mer vanlig med termoset karbon også.


Bilde: Barrday Composite Solutions - thermoplastic composite tape

Utfordringene for å ta i bruk termoplastisk karbon i større omfang er hovedsakelig knyttet til å opparbeide kostnadseffektive produksjonsteknikker som kan legge til rette for robotisert produksjon.


Bilde: bikerumor.com

Termoplastisk karbon egnet for 3D-printing, selv om dette ikke er hovedmåten å masseprodusere rammer på, men for å raskt prototype rammer og deler. Det er viktig å påpeke at 3D-printing i denne sammenhengen er helt annerledes enn vanlig dot-fusing av materiale oppå hverandre, men printing av kompositter med lange karbonfibre og forskjellige fiberretninger. Sjekk denne videoen om 3D-printing av rammer hos Arevo: https://youtu.be/W1gOq9CL9CU

Termoplastisk karbons fordeler i forhold til termoset karbon

- mye større robusthet for slag (GG hevder 300%)
- produksjonen kan automatiseres i stor grad med roboter (høyere og jevnere kvalitet)
- mye kortere «støpetid» (cycle times) per del (ned i et par minutter fra en halv time)
- kan resirkuleres: materialet kan varmes opp og formes på nytt etter støp
- kan «plast-sveises» med varme (ikke behov for lim i sammenføyninger)
- overskuddsmateriale kan gjenbrukes til komponenter med mindre krav til stivhet slik som girører, casinger og hendler
- mindre tetthet i materialet, dvs kan bygges lettere enn termoset karbon
- ingen skadelige kjemikalier i produksjonen
- enklere å oppdage strukturelle skader på overflaten
- høy finish rett ut av formen (mindre behov for manuelt etterarbeid)
- kan 3D-printes (større muligheter for lokal prototyping)

Utfordringer
- Produksjonsmetoder kan ikke overføres direkte fra termoset-produksjon og nye metoder må utvikles
- Robotisert produksjon krever større investering i maskiner
- Redusert styrke i resirkulert materiale pga kortere fibre og ukjent orientering

Hvis du ikke har hørt de sjekk ut podcasten nerdalert:
13 aug episoden om Thermoplast
17 sep episoden om 3 T som begynner å produsere i Italia.

De tar opp en del av temaene over.

Takk for tips!

Del 2:


Nye muligheter med nye fibre
Det har kommet nye kombinasjonsmaterialer som fibre av nylon (som Dyneema og Innegra) som kan forbedre bruddegenskapene til karbonmaterialet.

Rein4ced i Belgia produserer karbon med innvevde stålfibre. Dette skal øke robustheten og forbygge katastrofale materialbrudd. Accel Group, med merker som Ghost, Haibike, KOGA og Lapierre, inngikk en avtale med Rein4ced i 2021.





Bilder: rein4ced.com




Bilde: bikemtb.com

Hva er fremtiden for karbon i sykkelrammer?

Korona har vist hvor utsatt sykkelbransjen er ved lange leveringstider og lang transportvei fra Østen.

«Homesourcing» med utprøving av lokal karbonproduksjon var allerede en trend i sykkelbransjen før koronaen traff. Robotisering gjør det mulig å produsere lokalt i USA og Europa med mye bedre kvalitetskontroll og hyppig prototyping. Sammen med bedre materialegenskaper og mulighetene for resirkulering gjør dette termoplastisk karbonfiber bedre egnet for sykkeldeler enn dagens termoset karbon. Dette gjør teknologien attraktiv for store sykkelmerker og sportsindustrien ellers.

Så langt har bare GG tatt i bruk dette i liten skala. Når ser vi første store merke som tar i bruk denne teknologien?


Eksempler

Arevo



Bilde: Superstrata Ion elsykkel 3D-printet ramme i termoplastisk karbon.

Det amerikanske selskapet Arevo som utvikler programvare for termoplastisk karbonkonstruksjon og produksjon av flydeler har også utviklet en 3D-printet sykkelramme.

https://road.cc/content/tech-news/superstrata-first-custom-3d-printed-unibody-carbon-bike-275399

"And Greg [LeMond, the three-time Tour de France winner] says, 'A-ha! That's what Arevo is doing differently. They are laying down long continuous fibres around a whole part just like you would with unidirectional carbon-fibre strips'.

"Conventional 3D printing creates parts that are what are called isotropic, meaning their dynamic performance is uniform in all directions, but Arevo's process is made of these long continuous fibres that wrap around the whole part, creating a performance that's anisotropic.

"It means that the parts... can be fine-tuned... and the cool thing is that they're doing this on a production basis and not just for prototypes."

Del 3:

Guerilla Gravity

Den amerikanske produsenten Guerilla Gravity produserer i dag allerede sine rammer med «Revved Carbon» på en egenutviklet og delvis automatisert metode. https://ridegg.com/blogs/dispatch/revved-carbon#


Bilde: bikerumor.com


Bilde: ridegg.com


Bilde: mtblab.com



Bilde: vitalmtb.com

Guerilla Gravity kutter rundt 75% av tiden i forhold til manuell termoset karbon med delvis automatisert produksjon, mye på grunn av kortere støpetid og mindre behov for etterarbeid på finish.

Del 4:


Revel
Revel Bikes (www.revelbikes.com/our-bikes/revel-wheels/) lager sine karbonfelger (men foreløpig ikke sykkelrammene) med dette materialet. Og supersterke dekkspaker av resirkulert materiale fra felgproduksjonen.

Omtale: https://bikerumor.com/2021/05/12/longterm-review-revels-recyclable-rw30-carbon-mountain-bike-wheels/



Bilde: bikerumor.com


Bilde: revelbikes.com

Magura

Magura har laget bremsepumper og håndtak i «Carbotecture»-materialet siden 2010: https://www.pinkbike.com/news/magura-prototype-brake-2010.html


Bilde: Magura.

«Carbotecture® is a revolutionary new injection-molding compound which cannot be compared with either conventional fiber-reinforced plastics or laminated carbon sheets.

It has a high concentration of carbon fibers embedded in its thermoplastic matrix which makes it half the weight of aluminum, yet considerably stronger, extremely resistant to impact and fracture, and gives it very high fatigue strength. Its tensile strength per density is twice as high as aluminum or magnesium and six times higher than that of steel or die-cast zinc.

Carbotecture® is also much more homogeneous and predictable than aluminum, allowing for further lightening of key components. To utilize this revolutionary material, Magura created a new manufacturing process called Carboflow®.”

Volkswagen skal bruke det samme materialet i girkasser og BMW i bremsepumper for motorsykler.


Kilder

https://www.machinedesign.com/commu...cs-vs-thermosets-for-modern-bike-designs

https://www.instron.com/en-us/our-c...is-the-difference?region=North%20America

https://m.pinkbike.com/news/europea...e-rank-and-file-workers-with-robots.html

https://cyclingtips.com/2016/12/cra...of-hybrid-composites-and-thermoplastics/

Har 3D-printet i karbonarmert PLA. Funka bra, men sliter fryktelig på dyse og ekstruder. Hadde håpet å kunne lage bremsehendler og braketter etc men ga opp, da jeg totalt mangler tid og kompetanse på 3D-modellering, samt plassproblemer. Var med 20% korte fibre i filamentet, men det er tilsynelatende stivt.

Trek har også gjort en bærekraftsanalyse, og der kommer det frem at en karbonramme har tre ganger så mange CO2-ekvivalenter enn en aluminiumramme. Derfor vil jeg holde meg til metallrammer fremover, men beholder styrer og felger i karbon pga. funksjon.

Drit i nye rammer, der traff du meg!

Du får ikke lange nok fibre til å bygge nye rammer når du resirkulerer Fusion Fiber (og mye annen karbonfiber). De du derimot kan gjøre er å kverne til grove biter, der karbonfibrene gir deg god armering av plasten for mindre deler, som f.eks. dekkspaker og andre ting som ikke skal ha ansvar for din sikkerhet.

Takk for grundig gjennomgang simenf. Jeg skal snike unna litt tid og lese den igjen.

LarsB

Som nevnt i podcastene lenger opp:

Termoplastisk karbon har i dag mindre innhold av fiber enn termoset, og er derfor generelt noe tyngre. Dette er mye på grunn av dagens bruksområder (f.eks. bilindustrien som ikke er så ekstremt vektfokusert som sykling), og det er forventet at dette endrer seg på kort sikt ved større bruk av termoplastisk karbon i flyindustrien og sportsindustrien.

NB! Det er også interessant å observere at man i dag med termoset karbon har såpass stor variasjon i sluttproduktet pga håndarbeid og at det er vanskelig å nøyaktig modellere faktisk styrke/utmatting, at man må bygge karbonrammer med ekstra materiale for å være på den sikre siden. Dette gir også tyngre komponenter enn nødvendig, og er noe som robotisering av produksjonsprosessen vil kunne endre på.

Som Vroomen blant annet er inne på skjer denne robotiseringen også innen produksjon av enklere karbondeler innen termoset, men det største potensialet for helrobotisering trolig ligger innen termoplastisk da det er vanskeligere å automatisere produksjonen av kompliserte termoset-konstruksjoner enn termoplastiske.

Interessant video om "forged carbon fibre" produksjon: https://www.youtube.com/watch?v=25PmqM24HEk

Så ikke gjennom videoen, men det er vel helt vanlig sprøytestøp?

Beskriver vanlig sprøytestøp og press-støp med kortfibret prepreg.
Ganske mye forskjellige deler til sykler som blir produsert med disse metodene.

Men når du skal over på sykkelrammer så blir det for tungt om du skal lage ramma sterk nok for stisykling med disse prosessene.
Og man får egentlig bare klumper med litt lavere vekt enn metall, og kanskje litt bedre styrke, samme styrke i alle retninger sånn litt "tilfeldig"
For å kunne designe en fiberlayup i en sykkelramme så trenger man lange fibertråder med høy styrke i lengre strekk på ramma, ensrettet karbontape i bredder på rundt 20-50mm er mye brukt hos high end merkene, disse kan også være prepreg.
Dette er samme type karbontape som brukes veldig mye i flyindustrien, men da med bredere tape.

De som produserer sykkelrammer, styrer og andre ting i med klassisk vevd karbonfiberduk i twill eller plain veving lager ikke like lette eller sterke rammer eller deler som de som lager dem med UD (Uni Directional, ensrettet) karbonfibertaper.
Det er litt gammeldags og mest for å lage et visuelt pent produkt med klassisk karbonlook, mens for nerdene er det mye mer sexy å se rå karbonfinish med klar gelcoat eller lakk som viser ensrettet fiberlayup.

Ikke overraskende er det samme type tape som brukes i mye high end sportsutstyr. Ikke så rent lite stolt av denne, kjøp norske ski folkens, de inneholder avansert teknologi hentet fra aerospace industrien.

https://www.hexcel.com/user_area/content_media/raw/HexcelCSHiTapeMadshusSkis.pdf

https://vimeo.com/198219833

For fremtiden skjer det veldig mye interessant på materialfronten, det som gleder meg mest er at det er et økende fokus på at komposittmaterialer skal kunne resirkuleres, en vakker dag er vi der.
Biobaserte epoksyer har vi allerede på markedet, de sterkeste er kanskje ikke 100% biobaserte ennå men målene hos de største produsentene er helt klare, produktene skal være grønne, hele selskapet skal få en grønnere profil og ha fokus på miljøet.

Og som vi ser gode eksempler på over her så drives stadig mer av sykkelindustrien også av slike mål, så vi trenger kanskje ikke sykle på tunge alu- og stålsykler for å ha en noenlunde bra samvittighet for miljøet.

Dette er jo en type resirkulering av fiber, men resirkulering har jo mye større potensiale dersom utgangspunktet er termoplastisk karbon og ikke termoset. Da er det jo bare å smelte og støpe restmateriale om til slike deler som vises i videoen, uten å fomle med alt det klisset de holder med på der.

Det er en type resirkulering av fiberkapp ja, men ikke den brukte kompositten. Det er der utfordringene ligger.
Veien til resirkulering er nok kortere for deler med karbonfiber pga den har en mer attraktiv verdi selv i kortere tråder, mens glassfiber er såpass rimelig som nytt at det ikke er noen særlig god økonomi i og dermed motivasjon for å resirkulere det, ennå.
Selv ikke tørr glassfiberkapp er det alle som gidder å se seg bruk i til resirkulering, men det kommer heldigvis sigende det også.

Med termoplast i stedet for herdeplast så blir resirkuleringen straks litt enklere, vi vil nok se mye mer av det fremover.

Her sammenlikner samme produsent alu med flere typer karbonstøp og print mot hverandre: https://www.youtube.com/watch?v=eewlYa6IQPg

Resultatene viser jo at støpt karbon er mye sterkere enn printede, men også mindre fleksible. Dette er lite nytt, og det er en markant forskjell mellom de 3D-printede variantene og de termoplastisk støpte delene.

Men det er jo også et spørsmål om egenskaper til hvert bruksområde. Et deksel trenger å være robust og lett (fleks kan være en fordel), mens en hendel må være stiv, men trenger kanskje ikke å ha så høy styrke siden det er begrenset hvor hardt man klarer å klemme med fingrene. Likevel ønsker man jo at en hendel skal være robust for å tåle kollisjoner. Mer om det her: https://www.youtube.com/watch?v=wPFDBT41SEU

Neste spørsmål er hvordan termoset sammenlikner med termoplastisk karbonstøp?

Ny klasse av materialer, vitrimerer, er på vei: https://en.wikipedia.org/wiki/Vitrimers

Denne nye typenmaterialer kombinerer egenskapene til thermoset og thermoplastics og introduserer nye egenskaper som «self healing». På papiret høres det perfekt ut for terrengsykler.

«Epoxy vitrimers are reversible covalently crosslinked networks with dynamic covalent bonds, combining excellent mechanic properties of thermosets with reprocessability of thermoplastics. Moreover, the exchangeable network endows vitrimers with excellent reprocessing, self-healing, welding, reshaping and recycling properties. So vitrimers are hopeful to replace traditional thermosets for a wide range of applications in aerospace materials, electronic devices, consumer products of daily life and so on.»

Hører gjennom en podcast NERD ALERT PODCAST: RECYCLING CARBON FIBER IS NO LONGER A PIPE DREAM. Dette er utrolig interessant. De klarer gjennom pyrolyse å fjerne all epoxy etc fra karbonfiber, og de leverer småfiber til produsenter som støper karbonarmerte produkter (betong, plast, etc), samt til Silca sin slangeløsguffe. Utrolig fascinerende hvordan prosessen funker. De resirkulerer alt fra flydeler til sykkelrammer med feil fra produsentene. Det vises til at de får 300000 pund med skraprammer fra den største sykkelprodusenten som leverer til dem. Det er MYE skrap fra produksjon, altså. Si at en ramme veier 1700g. Da er det snakk om 300000*0,453592/1,7= 80000 rammer som har blitt underkjent eller hatt garantiretur fra én produsent på ett år. Det høres utrolig mye ut!

Red: Fant link til artikkel om prosessen i kommentarfeltet på CyclingTips: https://www.mdpi.com/2313-4321/7/1/6/htm
Avgassene fra pyrolysen er brennbare og brukes for å varme ovnen. Genialt!

Det begynner å hjelpe, men pyrolyse er en kjemisk prosess ved høy temperatur, og som du ser på prosessen så er det ganske energikrevende.
Nå må dette uansett gjøres med veldig mye eksisterende komposittskrap med karbonfiber så det er for all del en god ting og utviklingen er godt i gang.
Dette er en god ting!
Det er stadig forskning og utvikling på gjenvinning av glassfiberforsterkede kompositter også, så det går fremover i verden selv om det selvsagt ikke går fort nok på den fronten ennå.

Termoplastkompositter kommer for fullt og selv om det vil kreves høy temperatur for å skille fiber og plast der også er det en enklere og mye renere prosess, og man trenger gjerne ikke å kverne kompositten før karbonfiber, termoplast og evt kjerne skilles fra hverandre, noe som gjør at fibertrådene man får ut blir lengre og mer verdifulle til gjenbruk.

Og nå finnes det også fullt resirkulerbare fibertyper som nærmer seg karbonfiber i styrke og som rett og slett kan smeltes om til ny fiber like god som jomfrumaterialet. Og sammen med termoplast og gjerne PET kjernemateriale (ikke for sykler men for veldig mye annen kompositt) så snakker vi.
Alle 3 materialene i kompositten blir gjenvinnbare og minst 2 av dem kan gå direkte inn i ny produksjon av high end komposittprodukter.

Pyrolysen trenger litt gass for å få opp temperaturen, og så resirkulerer de avgasser for oppvarming. Hvordan kan du få pyrolyse til å bli en kjemisk prosess?

Hvordan er det ikke en kjemisk prosess når du løser opp herdeplast? I følge det jeg har lært ifm prosjekter rundt resirkulering så omtales dette som en termokjemisk prosess.