¿Es viable la fibra de carbono para rotores de freno de disco? Pruebas de Samuel.

Los rotores de disco de fibra de carbono generan controversia. La reputación de este material por su deficiente disipación de calor es bien merecida en el mundo de los frenos de llanta, por lo que es una pregunta válida si debería estar cerca de una superficie de frenado. Samuel sometió el TC-160 a pruebas de certificación de terceros para responder a esto con datos.

El argumento de los frenos de llanta de carbono y por qué no se aplica a los rotores de disco

Imagen 1: Fuente: dandyhorse.cc, imagen de una pista de frenado de llanta de carbono dañada.

La crítica es la siguiente: la fibra de carbono es un mal conductor térmico y, por lo tanto, bajo un frenado sostenido, las llantas de carbono no disipan el calor, lo que aumenta la temperatura de la llanta y puede provocar fallos en la llanta o incluso reventones de neumáticos.

Los compuestos de fibra de carbono constan de 2 materiales: filamento de fibra de carbono y la resina epoxi para mantenerlo todo unido.

La resistencia al calor de los filamentos de fibra de carbono en sí mismos no suele ser el problema, sino la resina epoxi, específicamente su temperatura de transición vítrea (Tg).

Cuando la resina alcanza la Tg, se ablanda y la estructura pierde integridad.

Muchos fabricantes de llantas utilizan resinas de alta Tg clasificadas para 200-230 °C en papel, pero omiten la etapa crítica de post-curado durante la producción. Sin un post-curado adecuado (típicamente 90-120 minutos a temperatura elevada), la resina nunca alcanza su Tg nominal, y pueden ocurrir fallos a temperaturas tan bajas como 100 °C.

El post-curado entra en conflicto con el rendimiento de la producción. Requiere mucho tiempo, limita la producción diaria y añade costes.

Muchas marcas de llantas de China continental anuncian una alta producción y precios bajos. En muchos casos, la razón es simplemente que se omite por completo la etapa de post-curado. Sin ella, no se puede producir una llanta con alta resistencia a la temperatura. Esta es otra razón por la que la industria pasó de los frenos de llanta a los frenos de disco, ya que la búsqueda de juegos de ruedas optimizados aerodinámicamente implica comprometer la seguridad de frenado.

Imagen 2: Rotor Samuel Aero con aletas de carbono.

Sin embargo, con los frenos de disco, la carga térmica sobre una estructura de carbono cambia por completo. La superficie de frenado es un material separado, típicamente acero inoxidable o acero+aluminio+acero, como lo hace Shimano. El carbono en las ruedas ya no está en el bucle térmico.

Así que ahora, la pregunta es: ¿cómo se comportan los rotores con aletas de fibra de carbono bajo carga térmica?

Pero primero, exploremos cómo se diferencia el rotor con aletas de fibra de carbono TC-160.

¿En qué se diferencia el TC-160?

El TC-160 utiliza resina de grado aeroespacial, completa con post-curado, lo que permite que las aletas de carbono mantengan la integridad estructural hasta 350 °C.

En comparación, las aleaciones de aluminio solo tienen un rango de operación seguro de alrededor de 110-120 °C.

Combinado con capas de fibra de carbono de módulo medio a alto, el rotor es estructuralmente más rígido que un equivalente de aluminio, lo que reduce el riesgo de deformación del rotor por el calor, causando roce de los frenos.

El proceso de post-curado dura de 8 a 9 horas por lote. Las piezas se enfrían naturalmente dentro del horno para evitar tensiones internas debido a los cambios rápidos de temperatura, lo que limita la producción a un ciclo de horno por día y solo de dos a tres ciclos por semana.

Se comprende por qué muchas empresas se ven tentadas a omitir el proceso de post-curado para satisfacer la demanda. Samuel, sin embargo, no toma atajos y elige hacer las cosas de la manera correcta, a expensas de su capacidad de producción.

Otro punto con el que muchas personas no están familiarizadas es que la fibra de carbono tiene una frecuencia de vibración natural más alta en comparación con el metal. Esto significa que el TC-160 es intrínsecamente menos propenso al chirrido de los frenos causado por la fricción durante el frenado, que los rotores normales con aletas de aluminio.

¿Cómo se compara el TC-160 con Shimano?

Samuel realizó pruebas con cámaras termográficas. Los colores mostrados son temperaturas relativas, no temperaturas absolutas.

Para temperaturas absolutas, los parámetros deben ajustarse para corresponder a la emisividad de cada material y así obtener la temperatura real en cada ubicación. Por lo tanto, los bloques de color actuales son solo para fines de identificación visual.

Los rotores de dos piezas con diseños de aletas de aluminio (Shimano Dura-Ace como referencia) conducen bien el calor, alejándolo de la pista de frenado de acero inoxidable de manera eficiente.

Imagen 3: Termografía de los rotores Dura-Ace

La imagen 3 muestra una fuerte conductividad térmica. El calor es atraído de la pista de freno a las aletas de aluminio, como se muestra en los reflejos rojos.

Imagen 4: Termografía de los rotores TC-160.

Las aletas de carbono del TC-160 tienen, de hecho, una menor conductividad térmica en comparación con el rotor Dura-Ace; sin embargo:

1. Los remaches de acero inoxidable en la unión entre las aletas de carbono y la pista de frenado actúan como una barrera térmica, limitando la transferencia de calor a la estructura de carbono.
2. El compuesto de carbono en sí mismo tiene baja conductividad térmica y alta resistencia al calor.

En resumen, las aletas de aluminio tienen buena conductividad térmica pero son menos rígidas en comparación con la fibra de carbono.

El TC-160 no disipa el calor con la misma eficiencia, pero el diseño estructural se basa en una alta resistencia al calor en lugar de la conducción del calor, lo que reduce el riesgo de deformación del rotor al mantener una excelente rigidez a través de las aletas.

¿Cómo se comportan las aletas de carbono bajo carga térmica?

Imagen 5: Datos de temperatura recolectados después de un descenso pronunciado del 15% y frenado intenso.

Imagen 6: Datos de temperatura recogidos 10 segundos después de una pendiente del 15%.

La Imagen 5 indica altas temperaturas en la pista de freno de acero inoxidable, mientras que las áreas circundantes permanecen frescas, como se muestra en la zona azul/verde claro después de un frenado intenso en una pendiente del 15%.

La Imagen 6 muestra que la temperatura de la pista de freno de acero inoxidable disminuye gradualmente. Mientras tanto, el calor en las nervaduras de acero inoxidable se transfiere lentamente a los puntos de remache y se difunde a la parte superior de las aletas de fibra de carbono.

Esto indica que el alto calor de la placa de fricción de acero inoxidable se extiende gradualmente a través de las nervaduras hasta el punto de remache. Por lo tanto, se puede observar una mancha cálida verdosa alrededor del punto de remache.

Aunque la resina es un medio de almacenamiento de calor, el valor de conductividad térmica axial (k) de la fibra de carbono sigue siendo sorprendentemente alto, por lo que todavía se observan parches de color donde el calor es absorbido por la fibra de carbono.

Validación por terceros: Informe de pruebas CHC

Samuel presentó el TC-160 para pruebas independientes a través del CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), un organismo de pruebas taiwanés con acreditación TAF (Taiwan Accreditation Foundation). La acreditación TAF significa que los resultados tienen reconocimiento internacional.

El informe del CHC confirmó que el TC-160 cumple con los puntos de referencia de rendimiento térmico para rotores de freno de disco.

En pruebas de campo realizadas con la máquina de prueba, la superficie de frenado de acero inoxidable superó los 600 °C, mientras que la sección de aletas de carbono midió poco más de 100 °C bajo las mismas condiciones, muy por debajo de su límite de 350 °C.

En realidad, las bicicletas de carretera no pueden generar temperaturas de fricción de freno de disco que superen los 600 °C, lo que valida la robustez de estos rotores.

La variante Aero

La versión Aero del TC-160/140 utiliza un perfil de aleta modificado para minimizar la perturbación del flujo de aire tangencial axial. La desventaja es una sensibilidad ligeramente mayor al viento cruzado en comparación con el TC-160 estándar. Es adecuada para bicicletas de carretera aerodinámicas y configuraciones de triatlón donde esa compensación tiene sentido.

Resumen

Los rotores de disco de carbono no son frenos de llanta de carbono. Los rotores de disco de carbono no son susceptibles a los fallos de los frenos de llanta de carbono debido a la diferencia en la ingeniería.

El post-curado adecuado de los compuestos de fibra de carbono es esencial y aumenta la robustez de estos rotores, de modo que en condiciones reales, el fallo del rotor TC-160 debido al ablandamiento del epoxi es simplemente imposible, lo que le permite pasar la certificación CHC, acreditada por la Taiwan Accreditation Foundation.