Como se faz uma bicicleta?

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1 Como se faz uma bicicleta? Como se faz o quadro de uma bicicleta? João Fernandes João Ferraz José Felgueiras José Reis Relatório do Projeto FEUP do grupo 1M8_02 Supervisor: Prof. António Baptista Monitor: Miguel Peixoto Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto Mestrado Integrado em Engenharia Mecânica Outubro de 2012

2 Como se Fazem as Bicicletas? Como se faz o quadro de uma bicicleta? Trabalho apresentado para avaliação na unidade curricular de Projeto FEUP, no curso de Engenharia Mecânica, da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto, tendo como supervisor o professor António Baptista. João Fernandes João Ferraz José Felgueiras José Reis

3 Resumo Há um elevado número de processos de fabrico que quadros de bicicletas, cada um adaptado a um material específico, já que há vários materiais que podem ser utilizados num quadro, e do uso que a bicicleta vai ter, visto que as exigências feitas a um quadro de uma bicicleta de estrada são diferentes daquelas feitas a um de um bicicleta de montanha. Refira-se ainda que o processo a utilizar vai depender também de outras variáveis, sendo as mais importantes o custo de produção e a qualidade do produto final, uma vez que uma bicicleta que qualidade superior tem geralmente custos de produção acrescidos devido à maior qualidade dos materiais do quadro e ao processos de fabrico mais complexos usados na sua produção. 3

4 Índice Resumo... 3 Introdução... 5 Materiais Utilizados... 6 Aço... 6 Chromoly (aço crómio-molibdénio)... 6 Alumínio... 6 Titânio... 6 Fibra de carbono... 6 Métodos de Fabrico... 7 Aço... 7 Fabrico de Quadros de Aço com Armação... 7 Método de fabrico... 7 Alumínio... 9 Soldadura... 9 Hidroformagem Titânio Processo de fabrico de quadros de titânio Fibra de Carbono Construção com reforços Construção com moldes Conclusão Referências

5 Introdução A bicicleta é um dos meios de transporte mais utilizados, havendo 800 milhões no mundo inteiro, aproximadamente o dobro de número de automóveis. Para além de populares, são também o veículo mais energeticamente eficiente um ciclista queima, em média, apenas 22 calorias por quilómetro. Possuem também outras funções. Para além de transporte, também são utilizadas para desporto, competição e turismo. Embora as primeiras bicicletas tenham sido inventadas no início do séc XIX, a sua forma alterou-se drasticamente desse essa data. Tais alterações foram (e são) motivadas por diversas razões: mais conforto, menos massa, mais rigidez, melhor comportamento aerodinâmico, menor custo de produção ou qualquer combinação das características anteriores. Dado que uma bicicleta é constituída por inúmeras partes, decidiu-se que se iria tratar exclusivamente dos processos de fabrico do seu componente principal, o quadro. 5

6 Materiais Utilizados Aço Aço carbono é um dos materiais mais usados no fabrico de bicicletas, graças ao seu baixo custo. É um material muito duradouro e, graças à menor espessura dos tubos proporcionada pela resistência deste material, os quadros feitos deste material tendem a ser bastante confortáveis, mas a sua fraca resistência à corrosão torna-o pouco viável para ser usado em climas húmidos, enquanto que o elevado peso afasta-o das bicicletas dos ciclistas mais ávidos pela competição. Chromoly (aço crómio-molibdénio) É uma versão de aço de baixa liga, que se torna mais cara que o aço carbono. O elevado peso desta liga também a afasta da maioria das competições, embora os praticantes de modalidades de acrobacias mais radicais, como o bmx ou o dirt sejam bastante adeptos deste material. Alumínio São usadas várias ligas de alumínio na indústria de bicicletas, sendo as mais comuns a 7005 e a Os quadros de alumínio são mais leves que os de aço, mas geralmente menos resistentes que estes. Quadros deste material são muito utilizados por ciclistas de lazer ou de passeio, e nalgumas modalidades como o downhill também pelos atletas de classe mundial. É o material mais representado nas lojas de bicicletas. Titânio É um material mais resistente que o aço, e devido a essa elevada resistência estes quadros levam menos material, sendo assim mais leves que os de alumínio. Graças à sua flexibilidade os quadros deste metal são bastante confortáveis. O principal problema destes quadros é o seu custo, de longe o mais proibitivo, de tal modo que atualmente só os amantes do titânio o utilizam. Fibra de carbono O material da moda da atualidade, a fibra de carbono é extremamente leve, sendo essa a principal razão pela qual as bicicletas de carbono são as mais usadas pelos profissionais. Embora antigamente os quadros de carbono fossem demasiado rígidos, avanços na pesquisa deste compósito levaram a que se possa ter um quadro de carbono bastante confortável, recorrendo a diferentes módulos e orientação de fibras e diâmetro e espessura dos tubos. (Wikipédia 2012) 6

7 Métodos de Fabrico Aço É a escolha tradicional, devido ao seu baixo custo de produção e durabilidade (quando devidamente tratado com uma pintura anticorrosiva). Comparado com o alumínio, o aço é também um material relativamente simples para soldar, o que é uma das qualidades mais características deste material. Os quadros de aço são fortes, fáceis de trabalhar, relativamente baratos, mas geralmente mais pesados que muitos outros materiais estruturais. No diâmetro tradicional, a tubagem de aço é normalmente menos rígida que a tubagem mais larga. Isto permite absorver choques, proporcionando ao ciclista uma viagem mais suave comparada com outras tubagens mais rígidas, tal como as de alumínio. (Travelling Two 2012) Fabrico de Quadros de Aço com Armação O Fabrico de quadros de aço com armação é um método de construir quadros de bicicleta utilizando tubagem de aço e armações (fig.1). Figura 1 - Quadro de aço com reforços (wikipédia 2012) Método de fabrico O fabrico de aço com saliências usa tubos cilíndricos que estão conectados através de armações, peças de aço (por vezes, inoxidável) que se encaixam nas extremidades de cada tubo. Previamente à montagem, o fabricante corta os tubos de acordo com o comprimento desejado. As extremidades dos tubos são inseridas nas armações e seguidamente revestidas 7

8 com prata ou latão. Essas armações melhoram significativamente a força da junção ao distribuir o metal sobre uma grande área superficial. (Wikipédia 2012) Figura 2 - Reforços na zona dianteira de um quadro de aço (Wikipedia 2012) Na maior parte dos quadros de aço, as armações têm uma forma simples e pontiaguda Fig. 3). As suas curvas maximizam a resistência da armação, minimizando a possibilidade do incremento da tensão, o que faria com que o quadro estivesse propenso a quebrar nas junções. Os quadros mais caros podem ter armações cortadas, numa forma sofisticada, com precisão para reduzir ligeiramente o peso e também como uma demonstração de perícia por parte do fabricante. Estes quadros podem ser reparados mais facilmente que os quadros de aço soldados, pois um tubo partido pode ser removido pela aplicação de calor para o separar das articulações, permitindo a sua fácil substituição. Figura 3 - Detalhe dos reforços (wikipédia 2012) 8

9 Alumínio Soldadura Para se soldar alumínio, há alguns passos que é importante seguir de maneira a que a solda fique feita corretamente: Como o alumínio é um metal muito reativo, é oxidado muito rapidamente e, por isso, tem de se raspar a superfície oxidada para que não interfira no processo de soldadura; A soldadura não deve ser feita com muita rapidez pois corre-se o risco de não se conseguir um cordão contínuo (Fig 4); Figura 4 - Tubo de alumínio soldado corretamente (MIG Welding 2012) Para conseguir melhores resultados, pode-se utilizar um dissipador de calor feito de latão para prender a peça a soldar, pois esta liga tem um ponto de fusão superior ao do alumínio; O maçarico deve estar quase na vertical para uma soldadura mais contínua; Para o acabamento, não utilizar discos de polir normais, mas sim os que existem próprios para alumínio para evitar riscos desnecessários no cordão de soldadura. (MIG welding 2012) 9

10 Hidroformagem Hidroformagem é uma técnica de moldar metais maleáveis como o alumínio ou o bronze em peças rígidas; é com esta técnica que se produzem os quadros para bicicletas (Fig. 5). Figura 5 - Hidroformagem, neste caso aplicada a chapa (Wikipédia 2012) O processo é bastante simples: um tubo do metal desejado é colocado numa câmara onde existe um molde do que se quer produzir; depois, é injetado na câmara um fluido a elevada pressão que obriga a que o tubo se expanda e adote a forma do molde. (wikipédia 2012) Uma das grandes vantagens deste processo é a economia de material, nomeadamente a nível de moldes, pois só é necessário um molde para a realização das peças. Figura 6 - Quadros de alumínio no fim do processo de fabrico (wikipédia 2012) 10

11 Titânio Processo de fabrico de quadros de titânio Para trabalhar com tubos de titânio é necessário um equipamento especial e um ambiente sem oxigénio. Uma barra de titânio que foi criada a partir de martelamento e recozimento durante a produção de titânio é colocada numa máquina e vai ser extremamente aquecida para produzir um tubo com aproximadamente 1,15 metros. O tubo é imediatamente imerso numa tina de ácido clorídrico para remover a sua camada exterior oxidada. A máquina recolhe os tubos com dimensão maior para os encurtar e torna-los ocos. Os tubos são enviados para uma fábrica de tubos onde, depois de inspecionados quimicamente, passam por um processo de recozimento em vácuo. Este processo é muito importante pois amacia o tubo para que possa ser trabalhado numa máquina apropriadamente sem danificar tanto o tubo como a própria máquina. Os tubos são endireitados pois durante este processo podem sofrer algum empeno, e inspecionados de novo. De seguida vão para uma máquina onde é inserido dentro dos tubos um suporte para aguentar a pressão da máquina sem que o tubo fique irregular. Aí o tubo é esmagado por toda a superfície. Isto serve tanto para reduzir o diâmetro como a sua espessura, tornando assim o tubo mais denso. O objetivo desta máquina é fazer com que o tubo tenha um equilíbrio perfeito entre dureza e flexibilidade. Assim que o tubo tenha a espessura ideal são removidas todas as impurezas que possam ter sido deixadas pela máquina e passa novamente pelo processo de recozimento em vácuo para reduzir as tensões residuais do tubo. Os tubos são polidos e soldados (fig.7) um a um em forma de diamante (dois triângulos, um grande que é a parte superior do quadro, e outro mais pequeno em baixo, onde vai ser montada a roda traseira). (Bikeradar 2012) Figura 7 - Soldadura em quadro de titânio (wikipédia 2012) 11

12 Fibra de Carbono Construção com reforços Este é o método mais antigo para fazer quadros em material reforçado com fibra de carbono. Baseia-se no mesmo principio que os quadros em aço que são unidos por reforços: são constituídos por tubos de fibra de carbono que são unidos por meio de reforços, feitos também de carbono. Hoje em dia as maiores vantagens deste método de fabrico são os menores custos de fabrico e a facilidade de criar quadros personalizados para o utilizador, já que para isso basta alterar o comprimento dos tubos, não dependendo de moldes. (Velocite Bikes 2012) Figura 8 - Quadro de fibra de carbono fabricado com reforços (Wikipédia 2012) Construção com moldes Construção tubo-a-tubo Este método pode ser comparado ao fabrico de bicicletas por solda de tubos. Num molde dispõem-se varias camadas de fibra de carbono impregnadas com resinas próprias, com o número de camadas, módulo das fibras e orientação das mesmas, dependendo da qualidade do quadro, uso que vai ter e zona do quadro que está a ser moldada. (Frame Builders Collective 2009) O molde e a fibra de carbono são levados ao forno, saindo de lá um tubo com a forma final. Este tubo é posteriormente encaixado noutros tubos feitos do mesmo modo, com a superfície sobreposta coberta com resina. As juntas são cobertas com resina e mais camadas de fibra de carbono para as reforçar e o quadro vai uma última vez ao forno para secar a resina e formar uma estrutura sólida. 12

13 Hoje em dia os tubos usados são cada vez maiores, abrangendo mais zonas do quadro, aproximando este processo cada vez mais dos quadros monocoque. (Specialized 2010) Figura 9 - Quadro de fibra de carbono fabricado tubo a tubo (Specialized 2010) Construção Monocoque Embora nenhum quadro utilize verdadeiramente este processo, este é o tipo de construção usado pelos quadros de maior qualidade da atualidade, visto que nenhuma marca conseguiu ainda fazer todo o quadro a partir do mesmo molde, especialmente devido à complexidade e reduzida espessura dos tubos da zona traseira do quadro, o resultado final acaba por ser bastante semelhante àquele que se conseguiria com um verdadeiro quadro monocoque. (Velocite Bikes 2012) Apesar de este ser o método de fabrico que permite um maior controlo sobre as fibras e formas do quadro, o facto de ter que ser feita pressão a partir de dentro dificulta muito o uso deste processo. A maneira mais utilizada de fazer essa pressão é utilizando balões dentro do quadro, que são cheios depois de o molde estar fechado para pressionar as fibras contra a parede do molde. Os problemas deste processo são a dificuldade de se conseguirem pressões suficientemente altas, o que causa uma má compactação das fibras ou a formação de bolsas de ar entre as diferentes camadas de fibra de carbono, e a complexidade do processo para retirar os balões de dentro do quadro acabado. Para se construir uma bicicleta usando este método (do modo usado hoje em dia pelos fabricantes de quadros) começa-se por dispor camadas de fibra de carbono e resina no molde, que é constituído por duas partes simétricas, uma para cada lado (direito e esquerdo) do quadro. Mais uma vez a quantidade de camadas, módulo e orientação das fibras e espessura e diâmetro dos tubos dependem da qualidade do quadro e zona que está a ser trabalhada. Quando as duas metades se juntam, no interior dos tubos são colocados balões, que iram pressionar as fibras contra o molde. Este processo só é usado no triângulo dianteiro, já que no traseiro o geralmente reduzido diâmetro dos tubos raramente o permite. Depois de unidas as partes do molde, os balões são cheios e o conjunto é levado ao forno. Quando é retirado do forno segue-se um processo para retirar os balões de dentro do quadro, processo esse que 13

14 difere de marca para marca. Retirados os balões o triângulo dianteiro e traseiro são unidos utilizando resina e uma fina camada de fibra de carbono. (BH 2012) Figura 10 - Moldes para um quadro monocoque de fibra de carbono (Velocite Bikes 2012) 14

15 Conclusão Um quadro de bicicleta pode ser fabricado a partir de diversos materiais, tendo cada um o seu processo específico para ser transformado naquele que é o elemento principal de uma bicicleta. Esses processos não dependem só do material a partir do qual o quadro é feito, mas também do uso que vai ser dado à bicicleta e à qualidade do quadro, já que enquanto alguns processos de fabrico aplicados a certos materiais resultam extremamente económicos, outras combinações destes dois elementos têm menos consideração pelo custo e mais pela qualidade do produto, cada uma com o seu público-alvo. 15

16 Referências Bikeradar What is titanium? Acedido a 10 de Outubro de BH Bikes Monocoque vs tube-to-tube Acedido a 12 de Outubro de Frame Builders Collective Tube-To-Tube Bicycle Framebuilding Technique Acedido a 7 de Outubro de Tube-Bicycle-Framebuilding.pdf MIG Welding Aluminum Welding Acedido a 8 de Outubro de Specialized Fabrication Acedido a 11 de Outubro de Travelling Two Steel or Aluminum Frame? Acedido a 2 de Outubro de Velocite Bikes Carbon Fiber Acedido a 3 de Outubro de Wikipédia Alumínio Acedido a 5 de Outubro de Wikipédia Bauxita Acedido a 6 de Outubro de Wikipédia Bycicle Frame Acedido a 5 de Outubro de Wikipédia Hydroforming Acedido a 5 de Outubro de Wikipédia Lugged Steel Frame Construction Acedido a 6 de Outubro de