Materialen in de motorwereld: carbon

Sommige mensen zijn afhankelijk van verslavend wit poeder. Ze vergeten te eten, vermageren en storten zich in financiële rampspoed. Anderen zoeken hun heil juist in een zwart goedje. Ook zij geven veel geld uit, want ze zijn verslaafd aan carbon. Bij deze “drug” is je motorfiets echter de enige die afvalt… Mysterieus zwart, licht als papier, duur, high-tech uitstraling, kortom: carbon is cool. De grondstof voor carbon bestaat niet uit steenkolen waaruit afzonderlijke vezels extraheerd worden, zoals sommigen zullen vermoeden, maar aardolie is de basis. Aardolie bestaat uit koolwaterstofverbindingen. Hieruit wordt de kunststof polyacrylnitriet (PAN) gewonnen, wat tot uiterst fijne vezels met een hoog koolstofgehalte verwerkt wordt. Voor de motorfietsmarkt spint de fabrikant in de regel een garen uit 3000 vezels per streng, wat vervolgens door het toevoegen van bepaalde chemicaliën (de precieze samenstelling wordt strikt geheimgehouden) stapsgewijs, startend bij kamertemperatuur, wordt verhit tot maximaal 3000 graden Celsius. Bij iedere verwarmingsstap ontsnappen chemische verbindingen en elementen zoals bijvoorbeeld waterstof, tot tenslotte zuivere koolstof overblijft. Gedurende dit proces wordt het garen gerekt en gestrekt, om de koolstofatomen in de langsrichting te ordenen, wat van immens belang is voor de latere sterkte van het materiaal. Wereldwijd produceren slechts een dozijn chemieconcerns koolstofvezels. In vergelijking met isotropen, dus in alle richtingen gelijk reagerende stoffen zoals staal of aluminium, zijn koolstofvezels slechts in trekrichting extreem hoog belastbaar. Onder druk knikken ze gemakkelijk en onder buiging zijn ze bros. Om deze zwakke eigenschappen te minimaliseren en de sterkte uit de verf te laten komen verweven de producenten de strengen tot matten op een manier die gangbaar is in de textielindustrie bij onder andere de productie van linnen keperstof. Net zoals bijvoorbeeld ook jeans geweven zijn. De constructeur beslist hoe de matten gelegd worden. Hieraan gaan – als het goed is – uitgebreide berekeningen vooraf, welke uiteraard rekening houden met de belasting van het betreffende onderdeel. Deze berekeningen worden uitgevoerd middels de zogeheten “eindige elementen methode”. Volgens Michael Khan, bedrijfsleider van BBT-Composites (www.bbtcomposites.com), een van de grotere aanbieders van carbon motoronderdelen in Europa, schieten de kosten van de computergestuurde berekeningen voor een simpel onderdeel zo maar in de vijfcijferige bedragen. Daar komen de kosten voor de mallen, gereedschappen en uiteraard de materiaal- en arbeidskosten nog bij! De goedkoopste productiewijze van carbon is de het nat-lamineren. Hierbij worden de buigzame koolvezelmatten in hun mal gelegd en met hars, in de regel epoxiehars, doordrenkt en bij temperaturen tegen de 100 graden celsius uitgehard. Delen van deze laagste kwaliteit worden nogal eens vervaardigd met het voor de gezondheid schadelijke polyesterhars, waarbij de eindproducten nog steeds naar plamuur ruiken. Dat is dus een teken van kwaliteitsgebrek: harsknoeierij, waarbij de door onnauwkeurig gelegde matten ontstane fouten als het ware dichtgesmeerd worden met een teveel aan hars. En een ongelijkmatig oppervlak wordt dan weer gecorrigeerd met een extra dikke laag blanke lak. Zulke onderdelen geven uiteindelijk dus ook nauwelijks gewichtsvoordeel. Bovendien bedienen de koopjesaanbieders zich gaarne van methode: wat niet past, moet passend worden gemaakt. Meestal door de klant, welteverstaan. Deze stuntaanbieders dragen helaas niet bij aan de reputatie van de carbon branche. Er zijn genoeg aanbieders van topkwaliteit carbondelen, maar dan ook tegen een topprijs. Het merendeel van deze fabrikanten zitten in de grootste (sportieve) motormarkten van Europa, dus in Duitsland, Italië of Engeland. In Europa bevinden zich ongeveer 25 firma’s met de know-how en het gereedschap om top-carbon te produceren, waarvan Engeland er een fors aantal herbergt en dat komt dan weer door de uitgebreide Formule 1-industrie in dat land. Carbon wordt natuurlijk niet alleen in de motorwereld gebruikt, maar ook volop in de financieel draagkrachtigere autosport, de machinebouw en de medische industrie. Het top-carbon wordt gemaakt middels een kostbaar productieproces in een autoclaaf, een gasdicht afsluitbaar en verwarmbaar drukvat. De koolstofvezelmatten worden in epoxyhars gedrenkt en worden dan “prepregs” genoemd. Vervolgens worden deze “prepregs” in vooraf minutieus berekende mallen gelegd, dan in een vacuümzak gestoken om luchtinsluitingen in de materiaalstructuur uit te sluiten en verblijven dan vervolgens urenlang bij een druk van zeven Bar of meer en een temperatuur van ongeveer 120 graden Celsius in de autoclaaf. Op deze manier verbinden de prepregs zich tot een matrix van koolstofvezels en hars. Overtollig hars wordt afgescheiden, totdat uiteindelijk het carbondeel uit een maximum aan koolstofvezels en een noodzakelijk minimum aan hars bestaat. En daarin zit hem nou net de kneep om de gewenste lichtheid bij een tegelijkertijd extreem hoge stijfheid te bewerkstelligen. Opdat het onderdeel helemaal perfect is, worden oppervlak en randen behandelt en tegen UV-straling beschermd, want daar reageert carbon nogal allergisch op. Al met al heel erg tijdrovend klusje. Onafhankelijk van de productiewijze bestaat er een grote vraag naar carbondelen voor motorfietsen. Met name Italianen kleden zich graag in het zwart. Zo drapeert Ducati enige topmodellen, zoals de 749R, vanuit de fabriek met carbonkuip en andere delen. Toch is dat niet zozeer om af te vallen, zoals een woordvoerder van de fabriek verklaart: “Het gewichtsvoordeel is gering, wij zetten carbondelen hoofdzakelijk in uit esthetische gronden.” En zo hoort het bij een Italiaan! In het algemeen hoort carbon bij sportmotoren als chroom bij choppers, alhoewel de Japanners zich nog aardig koest houden. Honda paste carbon slechts toe bij de hyperexclusieve NR750. Het imago van carbon wordt door de sportrijders hogelijk gewaardeerd en derhalve meldt de vakhandel een stevige vraag naar producten met een carbonlook. Denk bijvoorbeeld aan de carbontankpads, alhoewel daar niet één enkele koolstofvezel in te vinden is! In de wegrace is zulke nep-cosmetica niet oorbaar. Hier gaat functie boven alles en wordt daar desnoods veel voor betaald indien dat voordeel oplevert. Yamaha kleedde de 2006 R6 van Kevin Curtain helemaal aan met carbon: rond de twee kilogram woog de set bestaande uit de complete kuip, zitje, voorspatbord en diverse afdekkapjes. De winkelprijs van deze set bedraagt rond de 3000 euro. Race-afdelingen kunnen zich in het algemeen zulke uitspattingen nog wel veroorloven, maar geraken bij grotere projecten toch ook aan hun financiële grenzen. In het midden van de tachtiger jaren doken er soms enorme, stijve koolstofvezelframes op welke duidelijk minder dan acht kilogram wogen. Dat klonk goed, maar het probleem was dat een bepaalde verandering aan de geometrie gedurende het seizoen meteen enorm in de papieren liep omdat er voor elke aanpassing meteen een compleet nieuwe mal vervaardigd moest worden. Cagiva kwam begin negentiger jaren bijvoorbeeld aan de start in de GP’s met een prachtig carbonframe, maar het werd hen zelfs te kostbaar en al snel schakelde men weer over op de obligate aluminium frames. Onderdelen als achterbruggen en uitlaatdempers van carbon lijken in zwang te blijven en carbonremschijven zijn in vele takken van gemotoriseerde sporten al gemeengoed. Voor de straat zijn carbon remmen nog niet erg geschikt, althans niet voor motorfietsen, omdat de remprestatie nog niet constant genoeg lijkt. De ontwikkelingen gaan echter keihard en topauto’s als de Porsche 911, Ferrari’s en enkele Mercedes AMG-modellen zijn optioneel al met carbon-composiet-remmen leverbaar. Meerprijs is dan wel ruim 10.000 euro… Carbon wielen zijn wegens hun lage gewicht (zowel gunstig voor het totaal gewicht als voor een een gunstiger onafgeveerd gewicht) en daardoor geringe massatraagheid (lichter sturen, met name op hoge snelheid) eerder een thema voor dagelijks gebruik. Het Engelse Dymag, de grootste carbonwielen producent ter wereld, levert dan ook al carbonwielen met een straat-goedkeuring. Toepassingen van carbon in motorfietsen zijn er genoeg, daar zijn de experts het over eens. Ze zijn het er ook over eens dat deze mogelijkheden van de overwegend handgemaakte delen vanwege de immense kosten nauwelijks benut zullen worden. Aan processen voor massaproductie werkt men momenteel voornamelijk in de auto-industrie. Voor de relatief kleine motorfietsindustrie loont zulk onderzoek nauwelijks. En dus blijft het zoals het is: deze zwarte drug wordt in de motorwereld slechts in medisch verantwoorde porties uitgereikt. Zolang de stof schaars is hebben dealers een eenvoudig leven en verslaafden moeten niet zeuren. Wél dienen zij alvorens over te gaan tot aanschaf van het carbon goed na te denken over het gewenste resultaat: puur jezelf plezieren middels de goede looks of het daadwerkelijk verbeteren van de prestaties door een lager gewicht. [kasten 1] CARBON IN DE MOTORFIETS Bij straatlegale motorfietsen vervullen carbon-delen meestal slechts een esthetische rol. In de racesport levert het peperdure zwarte materiaal echter een wezenlijke bijdrage. 1 Randy Mamola reed in 1990 in de 500cc GP’s op een Cagiva met een carbonframe. Helaas werd de framegeometrie in het GP-circus van wedstrijd tot wedstrijd verder ontwikkeld en dat bleek bij een carbonframe veel tijd te kosten en bovendien zeer kostbaar te zijn. Dus verdween de carbon-Cagiva weer van het toneel. 2 Carbon remschijven reduceren de roterende massa ten opzichte van de stalen variant met ongeveer een kwart. Men beweert dat ze een werktemperatuur moeten hebben van 200 tot 300°C, omdat ze tijdens het remproces kortstondig “vastlassen” aan de remblokken. Onze testrit met de Kawasaki ZX-RR van Randy de Puniet (zie MotoPlus 22) toonde echter een uitgesproken agressief remgedrag met ijskoude remmen. Maar de ontwikkeling staat niet stil. 3 De Engelse Dymag carbonwielen zijn extreem dunwandig, zijn doorweven met een beschermende aramide (kevlar) bestandeel en hebben in Engeland een straatgoedkeuring. Een voorwiel weegt net iets meer dan twee kilogram en kost ongeveer 1350 euro. 4 Black Beauty: carbon-uitlaatdempers zijn een sierraad voor elke sportmachine. Deze Akrapovic Hexagonal demper met carbon-eindkap weegt 1850 gram. [[extra bild in dieser kasten]] 5 Carbon-kevlar weefsel (zwart-geel aan de binnenkant van de kuip) is gebruikt voor een lichte en flexibele kuip, de tank toont een sensueel carbon doorkijkje en de kuipsteun is een schoolvoorbeeld van een extreem licht en stijf onderdeel. [[bildunterschrift bei Yamaha-racemaschine im Kasten]] De Yamaha R6 zoals hij afgelopen jaar werd ingezet in het WK Supersport, maar dan in ongespoten toestand. Dan is namelijk het carbon-gebruik goed zichtbaar. Mede door dit carbon was deze machine ongeveer 15 kilo lichter dan een standaard-R6. De komplete kuip weegt 1,6 kilo, wat ongeveer vier kilo lichter is dan het standaard-exemplaar. Het zitje weegt 500 gram. [Bildunterschrift bei Autoclaaf] In de autoclaaf worden onder een druk van tot wel tien Bar bijzonder hoogwaardige componenten met deels een dragende functie gebakken uit koolstofvezelmatten (prepregs) welke doordrenkt zijn met epoxyhars. De aanschaf van deze kostbare apparatuur loont zich nauwelijks voor producenten die onderdelen maken die hoofdzakelijk als versiering van motorfietsen dienen. [Bildunterschrift bei handarbeit] Lastig handenarbeid: de prepregs worden volgens precieze voorschriften in de mal gemasseerd en mogen onder geen beding vouwen vertonen, anders is de stabiliteit van het onderdeel in gevaar. Slechts enkele experts beheersen hun vak voldoende om constante kwaliteit te kunnen waarborgen! [kasten mit grafik letzte seite] Dichtheid (in gram/cm3, oftewel gram per liter)* Elasticiteitsmodulus (in N/mm²)** Treksterkte (in N/mm²) * = Ongeveer de waarden voor in de motorfietsindustrie gangbare kwaliteiten ** = Beschrijft de samenhang tussen spanning en uitzetting bij de vervormig van een vast lichaam in het liniaire elastische gebied. Hoe hoger de waarde, hoe sterker het materiaal. 1) glasvezel versterkte kunststof 2) carbonvezel versterkte kunststof met 60% carbonvezel