Koolstof en andere vezelsterkte composieten.

Koolstofvezel composieten in de fietsindustrie: licht, sterk en innovatief

Koolstofvezel composieten zijn niet meer weg te denken uit de moderne fietsindustrie. Ze combineren uitzonderlijke sterkte met een laag gewicht, wat ze ideaal maakt voor het bouwen van hoogwaardige fietsframes. Maar wat zijn koolstofvezel composieten precies? En waarom zijn ze zo populair onder fietsfabrikanten en -liefhebbers?

Wat zijn composieten?

Een composiet is een materiaal dat bestaat uit een combinatie van twee of meer verschillende materialen. In het geval van vezelversterkte composieten gaat het meestal om lange, dunne vezels die in een kunststof drager worden verwerkt. De vezels zorgen voor de sterkte en stijfheid, terwijl de drager (meestal epoxy of een andere kunststof) de vezels op hun plaats houdt en de vorm van het eindproduct bepaalt.

Koolstofvezel als krachtpatser

Koolstofvezel composieten bestaan uit koolstofvezels die worden ingebed in een thermohardende kunststof, meestal epoxy. In sommige gevallen wordt ook polyester gebruikt, en er is een groeiende belangstelling voor thermoplastische kunststoffen. Deze laatste optie maakt het productieproces eenvoudiger en sneller, wat in de toekomst massaproductie aantrekkelijker kan maken.

De eigenschappen van koolstofvezel zijn indrukwekkend. In vergelijking met staal en aluminium biedt koolstofvezel bij hetzelfde gewicht en dezelfde buitendiameter tot zeven keer meer stijfheid en sterkte. Dat maakt het een ideale keuze voor onderdelen waarbij gewicht en prestaties essentieel zijn, zoals racefietsframes, zadelpennen en voorvorken.

Nadelen van koolstofcomposieten

Toch zijn er ook nadelen verbonden aan het gebruik van koolstofvezel composieten. De vezels zijn bijvoorbeeld vooral sterk bij trekbelasting. Daarom moeten ze in meerdere richtingen worden gelegd om een solide en betrouwbare constructie te krijgen. Dit zorgt voor meer complexiteit in het ontwerp en de productie.

Daarnaast draagt de kunststof drager niet actief bij aan de sterkte, maar voegt wel gewicht toe. Koolstofvezels zijn bovendien bros en kunnen niet plastisch vervormen zoals metalen dat doen. Bij overbelasting breken ze abrupt, wat gevaarlijker is dan de geleidelijke vervorming van bijvoorbeeld staal. Daarom worden in carbon fietsframes extra veiligheidsmarges ingebouwd.

Composieten in fietsframes

Het maken van een volledig koolstofvezel fietsframe is kostbaar en technisch uitdagend. Daarom worden vaak hybride constructies toegepast waarbij koolstof buizen worden verbonden met aluminium lugs. Deze combinatie is eenvoudiger te produceren en biedt nog steeds veel van de voordelen van koolstofvezel.

Toch hebben volledig koolstofvezel frames unieke voordelen. Dankzij de ontwerpvrijheid kunnen aerodynamische vormen worden gerealiseerd die met metalen niet mogelijk zijn. Dit is vooral aantrekkelijk voor wielrenners en triatleten die op zoek zijn naar minimale luchtweerstand en maximale snelheid.

Alternatieve vezels: glas en aramide

Naast koolstof worden ook glasvezel en aramidevezel (zoals Kevlar) gebruikt in composieten. Glasvezel is sterk genoeg voor constructies, maar mist de stijfheid die nodig is voor hoogwaardige fietsframes. Daarom zie je het vooral in andere toepassingen terug, zoals beschermende uitrusting of recreatieve producten.

Aramidevezels hebben een hoge treksterkte, maar zijn minder stijf dan koolstofvezels. Ze worden vaak gecombineerd met koolstof om de stootbestendigheid van het materiaal te verbeteren. Koolstof zorgt dan voor de stijfheid, terwijl aramide de klappen opvangt bij bijvoorbeeld een valpartij.

Verschillen per merk en toepassing

Niet alle koolstofvezels zijn gelijk. De eigenschappen kunnen sterk variëren per fabrikant, type vezel en gebruikte matrix (de kunststof drager). Fabrikanten van topfietsen kiezen vaak voor hoogwaardige prepregs (voorgeïmpregneerde vezels) die nauwkeurig kunnen worden gelegd in specifieke richtingen voor maximale prestaties.

Toekomst van koolstofvezel in fietsen

Hoewel de voordelen van koolstofvezel composieten overduidelijk zijn, blijft de massale toepassing voorlopig beperkt door de kosten en complexiteit van productie. Toch is de verwachting dat met technologische innovaties, zoals thermoplastische matrixmaterialen en geautomatiseerde productietechnieken, de prijs zal dalen en de toepassing zal toenemen.

Voor sportieve fietsers, professionals en liefhebbers van technologische innovatie blijft koolstofvezel voorlopig hét materiaal bij uitstek.

oude tekst

Koolstof en andere vezelsterkte composieten.

• Composieten zijn een mengsel van twee materialen. De vezelsterkte composieten bestaan uit dunne lange vezels die de sterkte en stijfheid van het materiaal bepalen en een drager die de vezels aan elkaar lijmt in de gewenste vorm.
• Koolstofcomposieten bestaan uit verschillende soorten koolstofvezels die onderling verbonden zijn door een thermohardende kunststof drager. Meestal is dit epoxy, soms polyester. In opkomst is koolstofvezel met thermoplastische kunststof als drager, waardoor het productieproces aanzienlijk vereenvoudigd wordt.
• Koolstofvezels zijn wat zuivere eigenschappen betreft zowel qua sterkte als stijfheid superieur aan staal en aluminium. Bij gelijk gewicht en dezelfde buitendiameter zal een buis uit een koolstofcomposiet theoretische 7 keer zo stijf en sterk zijn als een stalen buis. Koolstofkomposieten hebben een aantal nadelen waardoor deze hoge waarden niet gehaald worden.
• De koolstofvezels zijn alleen op trek te belasten. Daardoor moeten de vezels in meerdere richtingen gelegd worden om toch een in alle richtingen voldoende sterke constructie te krijgen. De epoxy heeft ook massa maar draagt niet bij aan de sterkte en stijfheid. Koolstofvezels kunnen niet plastisch vervormen maar breken abrupt wanneer ze te zwaar belast worden. Omdat deze brosse breuk veel gevaarlijker is dan plastische vervorming, worden bij frames van koolstofcomposiet grotere veiligheidsmarges ingebouwd.
• Hoewel koolstofcomposieten qua sterkte en stijfheid superieur zijn aan de metalen, zal de toepassing op grote schaal voorlopig nog wel op zich laten wachten. Het materiaal is duur en frames zijn lastig via massafabricage te produceren. Frames met buizen uit koolstofcomposieten en aluminium lugs zijn wat dat betreft gunstiger en gemakkelijker te produceren dan de frames die geheel uit koolstofcomposiet gemaakt worden.
• Door de ontwerpvrijheid die constructeurs hebben met koolstofvezels, kunnen frames die geheel uit koolstofcomposiet gemaakt zijn wel zo gevormd worden dat ze een minimale luchtweerstand hebben.
• Naast koolstof worden ook glas en aramide als vezelmateriaal gebruikt. Glas zou wel sterk genoeg zijn als constructiemateriaal maar heeft een veel lagere stijfheid waardoor het niet wordt toegepast als framemateriaal. De eigenschappen van de vezels kunnen sterk verschillen per merk.
• Aramidevezels hebben een hogere sterkte en lagere stijfheid dan koolstofvezels. Daarom worden ze in combinatie gebruikt met koolstofvezels. De koolstofvezels zorgen vooral voor de stijfheid terwijl de aramidevezels vooral de stootbelasting opvangen.