Is koolstofvezel bruikbaar voor remschijven? Samuel test het.

Schijfremrotors van carbon doen wenkbrauwen fronsen. De reputatie van het materiaal als slechte warmtegeleider is in de wereld van velgremmen terecht, dus het is een redelijke vraag of het thuishoort in de buurt van een remoppervlak. Samuel liet de TC-160 testen volgens onafhankelijke certificeringsnormen om die vraag met data te beantwoorden.

Het argument tegen carbonvelgremmen en waarom het niet geldt voor schijfremrotors

Afbeelding 1: Bron: dandyhorse.cc, afbeelding van een defecte carbonrembaan.

De kritiek luidt als volgt: carbon is een slechte warmtegeleider en daardoor voeren carbonvelgen bij langdurig remmen de warmte onvoldoende af. Hierdoor stijgt de velgtemperatuur, wat mogelijk leidt tot velgdefecten of zelfs klapbanden.

Carboncomposieten bestaan uit 2 materialen: carbonvezelfilamenten en de epoxyhars die alles bij elkaar houdt. 

De hittebestendigheid van de carbonvezelfilamenten zelf is doorgaans niet het probleem, maar eerder die van de epoxyhars, specifiek de glasovergangstemperatuur (Tg).

Wanneer de hars de Tg bereikt, wordt deze zacht en verliest de constructie haar integriteit.

Veel velgfabrikanten gebruiken harsen met een hoge Tg die op papier zijn gespecificeerd voor 200-230°C, maar slaan tijdens de productie de cruciale nacurefase over. Zonder correct nacureren (doorgaans 90-120 minuten bij verhoogde temperatuur) bereikt de hars nooit de opgegeven Tg en kunnen defecten al optreden bij temperaturen vanaf 100°C.

Nacureren staat op gespannen voet met een hoge productiecapaciteit. Het kost tijd, beperkt de dagelijkse productie en verhoogt de kosten.

Veel Chinese velgmerken van het vasteland adverteren met hoge productieaantallen en lage prijzen. In veel gevallen is de reden simpelweg dat de nacurefase volledig wordt overgeslagen. Zonder die fase kun je geen velg met hoge hittebestendigheid produceren. Dit is nog een reden waarom de industrie is overgestapt van velgremmen naar schijfremmen: de zoektocht naar aerodynamisch geoptimaliseerde wielsets betekent concessies aan de remveiligheid.

Afbeelding 2: Aero Samuel Rotor met carbonvinnen.

Bij schijfremmen verandert de warmtebelasting van een carbonconstructie echter volledig. Het remoppervlak bestaat uit een afzonderlijk materiaal, doorgaans roestvrij staal of staal+aluminium+staal, zoals bij Shimano. Het carbon in de wielen maakt niet langer deel uit van de thermische kring.

De vraag is dus: hoe presteren rotors met carbonvinnen onder thermische belasting?

Maar eerst bekijken we hoe de TC-160 carbonrotor met vinnen verschilt.

Waarin verschilt de TC-160?

De TC-160 gebruikt hars van luchtvaartkwaliteit, inclusief nacurering, waardoor de carbonvinnen hun structurele integriteit behouden tot 350°C.

Ter vergelijking: aluminiumlegeringen hebben slechts een veilig werkingsbereik van ongeveer 110-120°C.

In combinatie met carbonvezellaminaten met een gemiddelde tot hoge modulus is de rotor structureel stijver dan een aluminium equivalent, waardoor het risico op kromtrekken van de rotor door warmte en daarmee aanlopen van de rem wordt verminderd.

Het nacureproces duurt 8-9 uur per batch. De onderdelen koelen natuurlijk af in de oven om interne spanningen door snelle temperatuurveranderingen te voorkomen. Hierdoor blijft de productie beperkt tot één ovencyclus per dag en slechts twee tot drie cycli per week.

Je begrijpt waarom veel bedrijven in de verleiding komen om het nacureproces over te slaan om aan de vraag te kunnen voldoen. Samuel neemt echter geen kortere weg en kiest ervoor het proces correct uit te voeren, ten koste van de productiecapaciteit.

Een ander punt waar veel mensen niet mee bekend zijn, is dat carbonvezel een hogere natuurlijke trillingsfrequentie heeft dan metaal. Dit betekent dat de TC-160 van nature minder gevoelig is voor piepende remmen door wrijving tijdens het remmen dan reguliere rotors met aluminiumvinnen.

Hoe verhoudt de TC-160 zich tot Shimano? 

Samuel voerde tests uit met warmtebeeldcamera's. De weergegeven kleuren zijn relatieve temperaturen, geen absolute temperaturen.

Voor absolute temperaturen moeten de parameters worden aangepast aan de emissiviteit van elk materiaal om op elke locatie de werkelijke temperatuur te verkrijgen. De huidige kleurvlakken dienen daarom alleen voor visuele identificatie.

Tweedelige rotors met aluminiumvinnen (Shimano Dura-Ace als referentie) voeren warmte goed af en trekken deze efficiënt weg van de rembaan van roestvrij staal.

Afbeelding 3: Warmtebeeld van de Dura-Ace-rotors

Afbeelding 3 toont inderdaad een sterke warmtegeleiding. De warmte wordt van de rembaan naar de aluminiumvinnen geleid, zoals te zien is aan de rode markeringen.

Afbeelding 4: Warmtebeeld van TC-160-rotors.

De carbonvinnen van de TC-160 hebben inderdaad een lagere warmtegeleiding dan de Dura-Ace-rotor, maar:

1. Roestvrijstalen klinknagels op de verbinding tussen de carbonvinnen en de rembaan vormen een thermische barrière, waardoor de warmteoverdracht naar de carbonconstructie wordt beperkt.
2. Het carboncomposiet zelf heeft een lage warmtegeleiding en een hoge hittebestendigheid.

Kort gezegd hebben aluminiumvinnen een goede warmtegeleiding, maar zijn ze minder stijf dan carbonvezel.

De TC-160 voert warmte minder efficiënt af, maar de constructie is ontworpen rond een hoge hittebestendigheid in plaats van warmtegeleiding. Hierdoor wordt het risico op kromtrekken van de rotor verminderd doordat de vinnen een uitstekende stijfheid behouden.

Hoe presteren de carbonvinnen onder thermische belasting?

Afbeelding 5: Temperatuurgegevens verzameld na een steile helling van 15% en krachtig remmen.

Afbeelding 6: Temperatuurgegevens verzameld 10 seconden na een helling van 15%.

Afbeelding 5 toont hoge temperaturen bij de rembaan van roestvrij staal, terwijl de omliggende zones koel blijven, zoals te zien is aan de koelblauwe/lichtgroene zone na krachtig remmen op een helling van 15%.

Afbeelding 6 toont dat de temperatuur van de rembaan van roestvrij staal geleidelijk daalt. Tegelijkertijd wordt de warmte in de roestvrijstalen ribben langzaam overgedragen naar de klinknagelpunten en verspreid naar de bovenkant van de carbonvinnen.

Dit geeft aan dat de hoge warmte van de roestvrijstalen wrijvingsplaat zich geleidelijk via de ribben naar het klinknagelpunt verspreidt. Daarom is rond het klinknagelpunt een groenachtige warme zone zichtbaar.

Hoewel de hars warmte opslaat, is de axiale warmtegeleiding (k)-waarde van carbonvezel nog steeds verrassend hoog. Daarom zijn er nog steeds kleurvlakken zichtbaar op plaatsen waar de warmte door de carbonvezel wordt afgevoerd.

Onafhankelijke validatie: CHC-testrapport

Samuel diende de TC-160 in voor onafhankelijke tests via CHC (Cycling and Health Tech Industry R&D Center), een Taiwanese testinstantie met TAF (Taiwan Accreditation Foundation)-accreditatie. TAF-accreditatie betekent dat de resultaten internationaal worden erkend.

Het CHC-rapport bevestigde dat de TC-160 voldoet aan de benchmarks voor thermische prestaties van schijfremrotors.

Tijdens praktijktests op de testmachine overschreed het roestvrijstalen remoppervlak 600°C, terwijl het gedeelte met carbonvinnen onder dezelfde omstandigheden iets meer dan 100°C mat, ruim onder de limiet van 350°C.

In werkelijkheid kunnen racefietsen geen wrijvingstemperaturen van schijfremmen boven 600°C genereren, wat de robuustheid van deze rotors bevestigt.

De Aero-variant

De TC-160/140 Aero-versie gebruikt een aangepast vinprofiel om axiale en tangentiële luchtstroomverstoringen te minimaliseren. Het compromis is een iets grotere gevoeligheid voor zijwind ten opzichte van de standaard TC-160. Deze versie is geschikt voor dedicated aeroracefietsen en triatlonconfiguraties waarbij dat compromis zinvol is.

Samenvatting

Carbon schijfremrotors zijn geen carbonvelgremmen. Carbon schijfremrotors zijn door hun afwijkende engineering niet vatbaar voor de defecten van carbonvelgremmen.

Correct nacureren van carboncomposieten is essentieel en draagt bij aan de robuustheid van deze rotors. Onder realistische omstandigheden is een defect van de TC-160 rotor door zacht geworden epoxy dan ook niet mogelijk, waardoor deze de CHC-certificering heeft kunnen doorstaan, geaccrediteerd door de Taiwan Accreditation Foundation.