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A fibra de carbono no mundo das bikes

A fibra de carbono no mundo das bikes

Texto de Marcos Adami – Bikemagazine
Fotos de divulgação
Publicado com a autorização da Revista Bike Action

Desde que surgiram, no final da década de 1980, as bicicletas de fibra de carbono sempre encantaram os fanáticos por tecnologia de ponta. As várias propriedades do material, como baixo peso, rigidez, resistência à tração e a altas temperaturas, além da baixa expansão térmica, fez da fibra de carbono uma matéria-prima largamente empregada nas indústrias aeronáutica e aeroespacial e o material ganha cada vez mais espaço na indústria automobilística e, mais recentemente, na construção civil.

Em menos de três décadas o carbono se consolidou como o material mais usado na fabricação de bicicletas de alta performance. Além de quadros e garfos, a fibra de carbono está presente nos solados de sapatilhas, como reforço de capacetes, pedivelas, aros, cubos, garfos de suspensão, guidão, mesa, selim, canote e até em rotores de freios.

Tela de galinheiro

Os anéis hexagonais lembram telas de galinheiro

Telas de galinheiro
A fibra de carbono, também chamada de fibra de grafite, é um material sintético formado por minúsculas fibras com 5 a 10 Mícron (µm) de diâmetro e constituída principalmente por átomos de carbono arranjados em anéis hexagonais que lembram telas de galinheiro. Vários milhares de fibras são empacotadas e formam um fio que pode ser trançado para tecer uma manta que será usada para moldar os mais diferentes objetos.

Estritamente falando, quadros de bicicletas não são feitos a partir de fibras de carbono, mas de uma mistura de fibra de carbono e resina. As fibras são combinadas com outros materiais (resina epóxi é o mais comum) para formar o chamado composite, ou material composto. Comparativamente, seria como o concreto, que é resultado da união do cimento, areia e pedras. No meio industrial, o composite também é conhecido como CFRP ou “fibra reforçada com polímero de carbono”.

Qualquer material que contenha carbono pode ser “carbonizado” quando aquecido a temperaturas próximas de 1.000 Cº para se conseguir 99% de carbono. Para se obter uma concentração de 100% de carbono é preciso temperaturas ao redor dos 2.500 ºC.

A fibra de carbono é bem mais antiga do que muitos imaginam. Em 1879, o norte-americano Thomas Edison, inventor da lâmpada elétrica, assava chumaços de algodão ou lascas de bambu no forno para conseguir o carvão (carbono) que foi usado como filamento das primeiras lâmpadas em 1879.

A era moderna da fibra de carbono começa no final da década de 1950 com as pesquisas de Roger Bacon com carbono de alta performance no centro técnico da Union Carbide (atual GraphTech), em Cleveland, nos Estados Unidos, e que contou com recursos vindos da Força Aérea.

Nesses primórdios, a fibra concentrava pouco carbono em sua estrutura, cerca de 20% apenas. Mais tarde, ainda no começo dos anos 60, a Agência de Ciência e Tecnologia Industrial do Japão criou um processo que elevou esse índice a 55% de carbono. Ainda em 1963, a indústria aeroespacial britânica desenvolveu um processo que dava mais resistência ao novo material e o Ministério da Defesa da Grã-Bretanha patenteou o processo e licenciou para o a indústria privada, entre elas a fabricante de turbinas de aviões a jato Rolls-Royce, que já vinha produzindo sua própria fibra de carbono aeronáutica.

O governo japonês subsidiou o surgimento dessa indústria e empresas como Toray, Nippon Carbon, Toho Rayon e Mitsubishi nasceram nessa época. No final dos anos 1960 o Japão era o líder na tecnologia de carbono e em 1970 uma joint venture entre a Toray Industries e Union Carbide permitiu a fabricação do material de alto nível nos Estados Unidos.

Enquanto isso, no Reino Unido a empresa Courtaulds atuava no mercado aeroespacial e dominava o fornecimento de fibra de carbono para produtos esportivos e tinha a Mitsubishi como principal cliente. Atualmente as marcas mais comuns de fibra de carbono são Toho Tenax, Cytec Industries, Formosa Plastics, Hexcel, Mitsubishi Rayon, SGL Carbon, Toray Industries e Zoltek.

Fibra de carbono

A Calfee Design foi uma das pioneiras nesse segmento, com início em 1987

Nas bikes
A resistência da fibra de carbono aumentou ao longo dos anos e essa evolução serviu para o material ganhar confiança entre os ciclistas. A primeira bike com quadro de carbono produzida em escala comercial foi a francesa Look KG86, em 1986, que tinha o quadro feito de tubos de fibra de carbono unidos com cachimbos de alumínio. Nos Estados Unidos, a Calfee foi uma das primeiras empresas a ingressar nesse mercado de bikes de carbono e continua atuante tanto na produção quanto nos reparos de quadros de carbono.

O carbono evoluiu muito graças às novas resinas, que aumentaram sua resistência. Atualmente existem nano-resinas que penetram mais profundamente nos fios que formam a malha e garantem mais resistência e outras propriedades. Além de novas resinas, a indústria ciclística de ponta está sempre na busca incansável por tecnologias e novos métodos de construção de quadros que garantem menos peso final, com mais resistência e conforto.

Tipos de carbono
Quase toda fibra de carbono existente no mercado é feita a partir de uma fibra industrial chamada PAN (poliacrilonitrilo), que passa por um processo de tratamento em alta temperatura que elimina todas as impurezas e deixa apenas o carbono. Para aumentar a resistência do material, as fibras podem ter seu tamanho reduzido e compactadas. É o que se chama de High Modulus.

As fibras do carbono são “empacotadas” e recebem uma nomenclatura que indica a quantidade de fibras presentes na malha como 1K, 3K, 6K, 12K, 24K, 50K e não tem relação com a qualidade do material. A fibra de carbono 3K por exemplo, a mais usada na indústria de bicicletas, tem 3 mil fios em cada um daqueles quadradinhos da malha. Esse tipo de fibra é mais leve e flexível e bastante adequada na construção de quadros. Já a fibra do tipo 12K, tem 12 mil fios e, portanto, muita resistência. Outro tipo de carbono empregado na indústria de bicicletas é a UD (unidirecional), em que as fibras são orientadas numa mesma direção – sem aquela tradicional trama em quadrados – e é mais comumente usado para fins de acabamento.

As mantas encontradas no mercado podem ser do tipo “Pre-Preg”, que já vêm de fábrica impregnadas com catalisador e resina epóxi e agiliza o trabalho de moldagem. Essas mantas têm diferentes gramaturas, que são expressadas pelo índice GSM (Grams Per Square Meter), que significa gramas por metro quadrado.

Modelagem
Depois da chegada do carbono, o processo de fabricação de quadros mudou radicalmente. No lugar de grandes máquinas de usinagem e solda para fabricar os quadros de metal, essa nova indústria fabrica seus quadros a partir de moldes.

Normalmente um quadro é fabricado em partes. O molde de cada tubo é preenchido manualmente com as camadas de manta de fibra de carbono e um mesmo quadro pode receber tipos diferentes de mantas e de trama. A maneira de montar as lâminas (mantas) de carbono e a orientação das tramas interferem diretamente na resistência e em outras características do quadro, como rigidez.

O maior vilão na hora da fabricação são as bolhas de ar que podem ficar presas no carbono e fragilizar o material. Para evitar o problema, a indústria lança mão de algumas artimanhas como o uso de bomba de vácuo. Outras técnicas podem usar bexigas de ar comprimido que são inseridas dentro do molde para exercerem pressão nas paredes de forma a compactar o material e eliminar todo o ar. Depois de pronto, o quadro é levado para um autoclave, onde recebe tratamento térmico, já no processo de cura.

Fibra de carbono

Exemplo de tubo feito de fibra de carbono

Qualidade X Custo
A diferença de preços entre quadros de carbono é explicada pela qualidade do material empregado (resina epóxi), mas também pela construção do quadro. A precisão da montagem das mantas de fibra de carbono e quantas mantas existem. Em linhas gerais, um quadro de altíssima de qualidade é feito com várias camadas de mantas bem finas de fibra de carbono, enquanto que num quadro de menor qualidade são menos camadas e mais grossas (mais pesado).

O preço também é um reflexo do capricho em retirar as bolhas de ar do meio da resina. Assim, um quadro de preço mais elevado tende a durar mais, pois foi melhor construído, embora um quadro de menor valor não vai durar menos necessariamente. Entretanto, um quadro superleve e mais caro pode ser mais frágil e ser mais suscetível a quebras.

O outro lado
Apesar das inúmeras e inquestionáveis vantagens, a fibra de carbono produz certos impactos no meio ambiente e não é dos materiais mais ecologicamente corretos. Enquanto que metais como aço e alumínio são recicláveis 100%, a fibra de carbono não é reciclável e nem descartável.

A resina, que compõe o material, tem em sua composição substâncias altamente tóxicas. Já existem resinas de origem vegetal que amenizam os efeitos negativos do descarte, o chamado Biocarbono. Essas novas resinas liberam 50% menos gases prejudiciais do efeito estufa durante o processo de fabricação.

Recentemente algumas empresas norte-americanas desenvolveram processos que reciclam a fibra de carbono transformando-a em pó que por sua vez pode ser usado como matéria-prima industrial para a indústria de plásticos injetados e também construção civil.

Futuro
As pesquisas científicas nunca param e novos materiais vão sendo incorporados pela indústria. É o caso do grafeno, por exemplo. O grafeno é uma folha plana de átomos de carbono compactados e com espessura de apenas um átomo, reunidos numa estrutura cristalina hexagonal.

O nome foi apresentado pela primeira vez em 1987 e em 2010 os cientistas Andre Geim e Konstantin Novoselov ganharam o Prêmio Nobel de Física por experiências inovadoras com esse novo material.
O grafeno de alta qualidade é muito forte, leve, quase transparente, excelente condutor de calor e eletricidade. É o material mais forte já demonstrado e pode servir de ingrediente para compor fibras de carbono.

Reparos
Embora não se possa definir com exatidão a durabilidade de um quadro, garfo ou outro componente de fibra de carbono, a verdade é que esse material naturalmente se torna quebradiço com o passar do tempo. A exposição aos raios solares e a produtos químicos afetam e fragilizam a fibra de carbono que com o tempo pode começar a trincar. Apesar da excelente relação entre peso e resistência, o carbono é bastante suscetível a fraturas quando recebe fortes impactos numa pequena área.

Reparos em quadros e outros componentes de carbono são comuns e os consertos – quando bem realizados por especialistas – podem ficar muito bons e recuperar com segurança um componente de carbono. No Brasil há vários especialistas nesse serviço.

Segundo Cleber Manoel da Silva, da Lightness RC, o problema mais comum nos quadros de carbono são as trincas nas emendas dos tubos. Cleber desenvolveu seu próprio método de reparo, que é mantido em sigilo. Uma estufa é utilizada para fazer a cura e acelerar o processo em termos moleculares. “Em três anos já fiz mais de 200 reparos. Tive apenas três retornos de garantia”, explica.

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