Natuurlijke Vezelversterkte composietmaterialen

“Composite materials (or composites for short) are engineered materials made from two or more constituent materials with significantly different physical or chemical properties which remain separate and distinct on a macroscopic level within the finished structure.”

(wikipedia definition)

Picture 1: first natural composite production line

Composietmaterialen worden al te vaak aanzien als iet moderns en futuristisch maar de waarheid ligt anders: de technologie is ouder dan staal.  En natuurlijke vezelcomposieten zijn zelfs nog ouder.  Egyptische tempelcomplexen werden opgebouwd met bakstenen die versterkt werden met strohalmen.  Onderstaande figuur zou wel eens aanzien kunnen worden als de allereerste professionele productielijn voor producten uit een natuurlijke vezelcomposiet.

Door de jaren heen, mede door de opkomst van de “goedkopere” ontwikkeling van metalen, zijn composieten meer en meer in de vergetelheid geraakt (figuur 2). Maar met de ontwikkeling van glasvezel en de ontdekking van koolstofvezel is de opkomst van composieten de laatste jaren niet te stuiten.

Picture 2: relative importance of materials

In het laatste decennium heeft de fietsindustrie een immense toename gezien van componenten in composietmaterialen: frames, handlebars, zadelpennen, enz.  Alle mogelijke onderdelen die eventueel gemaakt konden worden, worden effectief gemaakt in dit exotische zwarte materiaal.  De industrie is op den duur verzadigd geraakt met de mode-woorden “extreem stijf” en “extreem licht” maar het echte potentieel van composietmaterialen moet nog aangewend worden.

Picture 3: flax fields

Museeuw Bikes is het eerste bedrijf ter wereld dat zijn fietsen produceert met een hybride weefsel:  koolstof- en vlasvezels worden samen in een technisch weefsel geweven om op die manier verschillende eigenschappen te verkrijgen.

Moderne Natuurlijke Vezelversterkte composietmaterialen

Wanneer we het huidige aanbod van de high-end fietsmarkt bekijken zien we dat bijna alle topmerken uitsluitend koolstofvezels verwerken in hun frames.  Koolstofvezels bieden, vanuit het engineering standpunt, de meest logische oplossing om te ontwerpen naar laag gewicht bij een hoge sterkte en stijfheid.  De hoge sterkte en stijfheid hebben echter een aantal belangrijke nadelen:

• Stugge rij-eigenschappen van een frame: een uitzonderlijk stijf frame heeft de karaktertrek om steeds rechtdoor te rijden: om snel bochten te nemen is een zekere flexibiliteit in een frame aan te raden.  Kijk maar naar tijdritfietsen en hoe moeilijk sommige rijders het hebben om scherpe bochten te nemen.
• Geen schok absorptie: stijve vezels zullen alle impact-energie door het frame doorleiden. De fietser zal zijn eigen lichaam moeten gebruiken als demper, hetgeen onvermijdelijk tot energieverlies zal leiden.

Om deze nadelige gevolgen tegen te gaan moeten ontwerpers “rond” deze uitzonderlijke eigenschappen werken om de fietsen een zekere “verticale flexibiliteit” te geven voor comfort en een zekere “horizontale flexibiliteit” voor een beter stuurgedrag.  In principe zijn ontwerpers hun ontwerpen minder sterk en minder stijf aan het maken terwijl ze wel een enorm sterk en stijf materiaal gebruiken. Verwarrend?  Laat ons eens kijken naar een aantal materiaaleigenschappen... (figuur 5, 6)

Er is een duidelijk onderscheid te maken tussen metalen en composieten op vlak van gewicht en stijfheid (uitgedrukt in dichtheden en E-modulus). Deze eigenschappen zijn echter onafhankelijk van de toepassing. Wanneer het materiaal in een constructie of product wordt gebruikt dat is ontworpen naar optimaal gewicht en stijfheid, dan komen er andere parameters in het spel: materiaal efficiëntie of specifieke materiaaleigenschappen. (figuur 6).

Deze parameters worden verkregen na een theoretische benadering van vervorming bij belaste vereenvoudigde structuurelementen (buis of vlakke plaat) met dezelfde mechanische eigenschappen.

Als we dan kijken naar de verschillen tussen composieten en metalen komen al snel de voordelen van composieten naar boven. Maar als deze figuur aantoont dat er, theoretisch, een koolstofframe kan gemaakt worden met dezelfde eigenschappen als een aluminium frame dat de helft lichter is, waarom wordt deze dan nog niet gemaakt?  De reden hiervoor is dat een fiets wordt ontworpen op het gedrag van de fietser: fietsen moeten veel zwaardere belastingen doorstaan dan enkel de theoretische (bijvoorbeeld zijdelingse impact). Bedenk nu dat de huidige generatie koolstofframes hetzelfde gewicht hebben dan aluminiumframes… het verschil in structurele stijfheid tussen de twee is spectaculair in het voordeel van koolstof maar hoogstwaarschijnlijk is dat niet het geval voor het comfortgevoel van de fietser.

De filosofie van Museeuw Bikes spitst zich volledig toe op het optimale gebruik van composieten.  Het is daarvoor dat Museeuw Bikes gebruikt maakt van een hybride weefsel:  het mengen van natuurlijke vezels met stijve koolstofvezels geeft een optimale krachtoverbrenging met een aangenaam comfortgevoel.

Picture 4: Stiffness (E-modulus) of materials

Picture 5: density of materials

Picture 6: material efficiencies (beam is tube to tube; Shell is monocoque)

Schok absorptie van natuurlijk vezelversterkte composietmaterialen

Als we de schokdempende eigenschappen bekijken van de vlasvezelcomposieten, dan moeten we op microscopisch niveau in de vlasvezel kijken.  Museeuw Bikes worden gemaakt uit bast fibre bundels en losse elementaire vezels gemengd met normale koolstofvezels.

Picture 7: flax fiber build-up

Het is op dit niveau dat er een eigenschap speelt die de meeste ingenieurs trachten te vermijden: natuurlijke variatie.  De stijfheid van een vlasvezel varieert van 60 tot 80 GPa. Het is deze natuurlijke variatie dat een specifiek mechanisme opwekt bij belasting.

Door de kleine lokale variaties in het materiaal wordt een deel van de initiele schok geabsorbeerd door het materiaal.  Vergelijk het met een grote taart die langs een tafel met hongerige mensen passeert.  Iedereen neemt een klein stukje en op het einde van de tafel is het grootste deel verdwenen.  Een koolstofframe is te vergelijken met dezelfde grote tafel met mensen die zo snel mogelijk de taart doorgeven naar de volgende zonder er daar maar een kruimel van op te eten.  En het meest fascinerende is dat dit mechanisme niets te maken heeft met buiging in het frame; het is het materiaal dat de energie absorbeert en niet de structuur.

Bekijk ook het hoofdstuk van de trillingstesten waar we de effecten van dit mechanisme demonstreren.