Comparación de los materiales del cuadro de la bicicleta: aleación, carbono, acero y titanio

Cómo elegir el material de cuadro adecuado para tu próxima bicicleta

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por Pablo normando

Publicado: 8 de noviembre de 2021 a las 15:00

Elegir de qué material quieres que esté hecho tu cuadro es una de las decisiones clave a la hora de comprar una bicicleta.

Los cuadros de bicicleta se han fabricado con una variedad de materiales diferentes a lo largo de los años, dominando originalmente el acero. Ahora, la elección principal es entre el aluminio y la fibra de carbono, aunque el acero y el titanio todavía son comunes.

Cada material del cuadro tiene sus pros y sus contras, según tus prioridades como ciclista, incluido el peso, el presupuesto, la longevidad y las características de rendimiento que deseas del cuadro y, como resultado, de la bicicleta.

¿Cuáles son las propiedades clave del aluminio, el acero, el titanio y la fibra de carbono a tener en cuenta a la hora de comprar una bicicleta?

Hablamos con dos expertos para averiguarlo: Richard Lambert, de Enigma, especialistas en bicicletas de titanio y acero del Reino Unido, y Liam Glen, un ingeniero mecánico que actualmente trabaja para Airbus, además de ser un ex ciclista profesional y ganador de la Highland Trail 550 de 2021. carrera de bicicletas (tenemos una galería de Stooge Cycles Scrambler de una sola velocidad de Liam).

El aluminio es el metal de referencia para cuadros económicos y de gama media, ya que ofrece una combinación de ligereza, rigidez y asequibilidad difícil de superar.

A menudo verá marcos de aluminio denominados "aleación". Esto se debe a que el aluminio puro sería demasiado blando para formar un cuadro de bicicleta, por lo que se mezcla con otros elementos para alterar sus propiedades físicas.

De hecho, todos los cuadros de bicicleta de metal están hechos de aleaciones por la misma razón. El acero es en sí mismo una aleación de hierro, y el titanio está predominantemente aleado con aluminio y vanadio.

Cuando se trata de marcos de aluminio, números como 6061 y 7005, las dos aleaciones de aluminio más comunes utilizadas, son un código para los aditivos (principalmente silicio y magnesio) que se mezclan con el aluminio para formar cada aleación. Cada 'receta' tiene propiedades ligeramente diferentes.

"Todos los metales tienen proporciones de resistencia a peso bastante similares", dice Glen. "Son factores como el ancho de la tubería y el grosor de la pared los que son más importantes que su resistencia".

Es relativamente fácil manipular los tubos de aluminio para darles diferentes propiedades a lo largo de su longitud y los tubos de aluminio generalmente se empalman, para garantizar la rigidez donde se necesita y ahorrar peso donde no se necesita.

Los tubos de bicicleta, sin importar de qué estén hechos, generalmente están empalmados. Esto significa que es más grueso en sus extremos, donde hay más tensión y necesitas más material para las uniones con otros tubos, mientras que es más delgado en el medio para ahorrar peso.

Los tubos de calibre recto son consistentes en todo su espesor, con propiedades consistentes para igualar. Los tubos de un solo conificado son más gruesos en un extremo (por ejemplo, en la unión del pedalier), los tubos de doble conificado son más gruesos en ambos extremos y los tubos de triple conificado reducen aún más el grosor en el medio del tubo.

La unión a tope es solo una parte de la historia y, a menudo, verá marcos de aleación premium descritos como "hidroformados", que describe el proceso de adaptar la forma de un tubo utilizando un fluido a alta presión y un molde.

Las bicicletas de aluminio de gama alta están más avanzadas que nunca y este proceso puede ayudar a formar formas complejas para influir en las características de una parte particular de un cuadro, incluido el peso, la resistencia y la comodidad. Muchos de los últimos marcos de aluminio también lucen características de diseño aerodinámico.

Los tubos de aluminio generalmente se sueldan juntos para hacer el marco. Una soldadura en bruto puede tener una apariencia bastante irregular, pero esto a menudo se suaviza después de soldar para una apariencia más limpia en los marcos premium. También ayuda a ahorrar un poco de peso. Una vez que se ha soldado un marco de aluminio, se tratará térmicamente para que la aleación recupere toda su resistencia.

"Estás aplicando mucho calor a un área localizada [al soldar], lo que puede cambiar las propiedades del metal localmente y hacer que las soldaduras sean el área más débil", dice Glen. El templado después de la soldadura ayuda a aliviar esto.

El aluminio es el material que se utiliza para la mayoría de los cuadros de bicicleta más baratos, pero sigue siendo una opción popular para algunos cuadros más caros y centrados en el rendimiento, tanto en carretera como, en particular, para bicicletas de montaña.

Si bien las propiedades exactas de un cuadro de aleación de aluminio variarán de una bicicleta a otra, por lo general es relativamente liviano con un alto nivel de rigidez, robusto y alrededor de una quinta parte del precio de la fibra de carbono.

Un cuadro de aleación puede ser más ligero que uno de fibra de carbono a un precio similar, aunque los cuadros de carbono caros siempre serán aún más ligeros.

El aluminio es mucho menos denso que el acero.

Como resultado, se puede fabricar un marco de aluminio con tubos sobredimensionados para lograr un alto nivel de rigidez, con paredes más gruesas, sin dejar de ser más ligero. Según Ribble, el grosor de la pared del tubo de un marco de aleación de aluminio suele ser el doble que el del acero, con diámetros de tubo entre un 20 y un 30 % más grandes.

Históricamente, los cuadros de aluminio tenían la reputación de ser incómodos, debido a la rigidez relativa del material y la falta de absorción de impactos, pero las últimas técnicas de construcción de cuadros, así como la tendencia hacia neumáticos más anchos en las bicicletas de carretera, significan que muchas bicicletas de aleación ofrecen una mucho- calidad de conducción mejorada.

Mientras que los marcos de aluminio ofrecen un equilibrio impresionante de resistencia, rigidez y bajo peso, las aleaciones de aluminio pueden ser propensas a la fatiga a largo plazo, a diferencia del acero y el titanio.

Sin embargo, los cuadros de aluminio tienden a ser menos susceptibles a choques o daños accidentales que los cuadros de carbono. Como resultado, el aluminio sigue siendo un material de cuadro popular en todas las bicicletas de montaña, además de ser una opción inteligente para los corredores de ruta privados con un presupuesto limitado.

"El acero es real", como dice el viejo adagio, y era el material que tradicionalmente se usaba para los cuadros de las bicicletas.

De hecho, el acero fue el elemento básico en la construcción de cuadros durante unos 100 años, incluso a nivel profesional, hasta mediados de la década de 1990, cuando los cuadros de aleación de aluminio comenzaron a hacerse cargo, con solo un breve período en el pelotón profesional de carretera, y el Se probaron los primeros cuadros de fibra de carbono.

Hay dos métodos principales de construcción para los marcos de acero, ya sea usando orejetas o no.

Los marcos con orejetas ven los tubos ranurados en orejetas de acero fundido en sus juntas y luego se sueldan juntos. Los marcos sin orejetas cuentan con uniones de tubos que se sueldan juntas o se sueldan con filete.

La construcción con orejetas solía ser común, con marcos de acero clásicos que a menudo tenían orejetas muy elaboradas, pero la soldadura tiende a dar como resultado un marco más liviano y se necesita menos limpieza que con la soldadura fuerte, lo que generalmente da como resultado un exceso de material en las juntas que necesita ser eliminado después.

Por otro lado, según Glen, la soldadura fuerte necesita una temperatura más baja que la soldadura, por lo que es probable que haya menos alteración de las propiedades del acero, lo que lleva a una unión más fuerte.

Al igual que los tubos en los marcos de aleación de aluminio, los tubos de acero generalmente se empalman para hacerlos más livianos. Hay más variedad en las formas de los tubos en los marcos de acero modernos, en lugar de las secciones redondas de antaño.

La mayoría de las bicicletas de acero orientadas al rendimiento están hechas de acero cromado, con acero de alta resistencia que se ve en cuadros baratos y de gama baja.

Diferentes composiciones de acero tienen diferentes propiedades. Reynolds 531 es una aleación clásica utilizada para cuadros de bicicletas, y el 531 se refiere a la proporción de manganeso, carbono y molibdeno en la aleación.

Sin embargo, ahora hay muchas más opciones de proveedores de tubos, incluidos Dedacciai y Columbus.

Lambert señala la amplia variedad de diferentes composiciones y perfiles de tubos disponibles para el acero, que dice que no es lo mismo para otros tubos de estructura. Eso significa que puede construir un marco muy resistente para viajar o uno que sea más liviano, según lo que elija.

Los aceros inoxidables también son una opción. En promedio, son más débiles que los aceros al cromoly, aunque se han desarrollado aceros inoxidables especiales para la fabricación de bicicletas que son tan resistentes como el cromoly, o más, dice Glen.

Las principales desventajas del acero son su peso y costo. Es más pesado que el aluminio y más caro de fabricar a gran escala, lo que garantiza que el aluminio siga siendo la opción preferida para la mayoría de los cuadros de bicicleta de metal actuales.

Sin embargo, aunque el acero es mucho más denso (y más pesado) que el aluminio, también es más resistente y duradero. Esto significa que los constructores de cuadros pueden usar tubos de paredes más delgadas y de diámetro más pequeño y mantener el nivel requerido de rigidez, aunque la penalización por peso permanece.

A diferencia del aluminio y, como veremos más adelante, de la fibra de carbono, también se puede reparar (relativamente) fácilmente si se daña.

De manera similar, el acero también tiene un límite de fatiga: puede soportar esfuerzos por debajo de su límite de fatiga una cantidad infinita de veces sin que se produzca una falla, nuevamente a diferencia del aluminio, que se desgastará con el tiempo.

Las propiedades naturales de amortiguación del acero pueden dar como resultado una calidad de conducción "elástica", es decir, cómoda, incluso si no se compara con la relación rigidez-peso del aluminio.

Por todas estas razones, el acero es una opción popular para las bicicletas boutique y personalizadas, así como para los cuadros de cicloturismo y para bicicletas, donde el peso es una preocupación menor. El acero ofrece un mejor valor que el titanio, y la durabilidad y la longevidad son clave.

Dicho esto, los marcos de acero, a menos que estén hechos de acero inoxidable, deben pintarse para detener la corrosión externa y también pueden recubrirse dentro de los tubos para detener la oxidación.

El titanio a menudo se ve como una opción lujosa, en parte debido a su calidad de conducción y costo, así como al hecho de que una bicicleta de titanio a menudo se promociona como una "bicicleta para toda la vida".

La mayoría de los metales tienen un número definido de ciclos de carga antes de que puedan fallar. El titanio es mucho más resistente a las tensiones y tensiones repetidas, y esto significa que los fabricantes de marcos expertos pueden construir marcos más livianos y con más cumplimiento sin riesgo de fallas.

Al igual que los marcos de aluminio y acero, el titanio es una aleación y también hay diferentes grados disponibles para los constructores de marcos.

La aleación AL3 de 2,5 V (que contiene un 3 % de aluminio y un 2,5 % de vanadio) es el grado más común que se utiliza para las monturas de titanio. Los tubos 6AL 4V son notablemente más fuertes y, como resultado, más difíciles de trabajar, y a veces se usan para cuadros de alto rendimiento o áreas individuales donde la rigidez es clave, como el tubo de dirección y la funda del pedalier.

Enigma, por ejemplo, utiliza la aleación 6AL 4V de mayor grado y más rígida, también conocida como titanio de grado cinco, para sus bicicletas de rendimiento, en lugar de la aleación 3AL 2.5V (o grado nueve) en su cuadro Etape más compatible.

Las aleaciones de titanio también son altamente resistentes a la fatiga, lo que significa que pueden flexionarse sin fallar. Moots, por ejemplo, utiliza la flexión en las vainas de titanio para proporcionar una suspensión sin pivote en la parte trasera de sus cuadros Mountaineer y Routt YBB.

El titanio tiene claras ventajas sobre otros metales para el cuadro de una bicicleta. Es menos denso que el acero, por lo que un cuadro puede ser más ligero sin dejar de tener tubos de paredes más gruesas. Un tubo de titanio pesa la mitad que un tubo de acero de la misma resistencia a la tracción. Los juegos de tubos de titanio de Enigma suelen tener un grosor de 0,9 mm en su punto más delgado, frente a los 0,5 mm del acero.

Eso hace que sea más difícil abollar un marco de titanio y, dado que el titanio no se corroe, el marco no necesita pintura, por lo que los rasguños y las astillas tampoco son un problema. El acabado en bruto típico de los marcos de titanio también se ve muy bien, aunque no hay ninguna razón por la cual un marco de titanio no se pueda pintar.

Por otro lado, el titanio es mucho más difícil de trabajar que el acero, según Lambert de Enigma. “Hay que tener cuidado con la limpieza y el control del proceso de soldadura, en particular con la purga de oxígeno, para lo cual Enigma utiliza gas argón”, dice.

Antes había pocos tubos de titanio disponibles y no estaban diseñados específicamente para bicicletas. Esto le dio a los marcos de titanio la reputación de ser demasiado flexibles. Lambert dice que eso no es un problema ahora, ya que hay más opciones de tubos específicos para bicicletas, mientras que las características de diseño, como las direcciones cónicas y los estándares de soporte inferior más anchos, significan que los marcos de titanio pueden diseñarse para ser tan rígidos como lo exige la aplicación.

Dicho esto, el titanio todavía tiene la reputación de ofrecer una calidad de conducción cómoda en manos de un buen constructor de cuadros.

La otra cara de la moneda es que el titanio es la opción de metal más cara, a menudo eclipsando el precio de un cuadro de carbono.

Desde que Lance Armstrong ganó el Tour de Francia de 1999 con una Trek 5500 OCLV, la fibra de carbono ha sido el material de referencia para los cuadros de bicicleta de alto rendimiento.

Y por una buena razón. La fibra de carbono es un material maravilloso altamente adaptable que puede moldearse y ajustarse a requisitos precisos, equilibrando la rigidez, la comodidad y el rendimiento aerodinámico.

Sin embargo, el carbono no está exento de caídas. Los cuadros de bicicleta de fibra de carbono son caros (hasta cinco cifras en el extremo superior del mercado) y pueden ser más susceptibles a daños por colisión que otros materiales.

El cuadro de una bicicleta de carbono se compone de capas de fibra de carbono (fibras tejidas en láminas) incrustadas en una matriz de resina epoxi. Las fibras de carbono le dan fuerza, la resina lo mantiene unido.

"El carbono tiene la mayor relación resistencia-peso por capa", dice Glen. "Pero eso es solo en una dirección, por lo que se apila en múltiples ángulos en el cuadro de una bicicleta. Eso significa que su relación peso/resistencia disminuye un poco, pero sigue siendo más alta que otros materiales".

La mayoría de los cuadros se fabrican superponiendo muchas láminas de fibra de carbono/material de resina, llamado "prepreg", con diferentes grados y orientaciones utilizadas en diferentes lugares del cuadro. Look, por ejemplo, dice que su marco 795 Blade está hecho con más de 800 piezas diferentes de preimpregnado.

"La resina le da al marco tolerancia al impacto y resistencia a la compresión", dice Glen. "Hay relativamente pocas empresas que fabrican preimpregnados y muchos cuadros los fabrican terceros, por lo que la mayoría de los cuadros se fabrican con las mismas resinas. Es la disposición en la que se especializan los fabricantes de bicicletas y eso también les da a sus cuadros sus diferentes cualidades".

La necesidad de dominar la disposición agrega otra capa de complejidad al diseño del cuadro de carbono. Las marcas de bicicletas tampoco saben cómo los usuarios finales individuales montarán sus cuadros. Eso lleva a un grado de ingeniería excesiva de los cuadros de carbono para garantizar que puedan manejar cargas anormales, dice Glen.

Una vez que se han ensamblado las diferentes capas del marco, lo que se hace a mano, el marco se coloca en un molde de metal pesado y se calienta bajo presión para unir las diferentes capas.

En un cuadro monocasco, se necesita un molde diferente para cada tamaño de bicicleta, lo que hace que la configuración para un nuevo diseño de cuadro sea costosa.

La alternativa, que se utiliza para algunos marcos personalizados, es la construcción de tubo a tubo, donde los tubos de fibra de carbono preformados se cortan a la medida y se envuelven en fibra de carbono adicional en las juntas o se pegan en orejetas de fibra de carbono. La Colnago C64 es un ejemplo clásico del último método de construcción, mientras que los cuadros de carbono de Condor utilizan una construcción de tubo a tubo.

Un número muy limitado de fabricantes de bicicletas ha utilizado máquinas para tejer sus propias fibras de carbono en tubos. Es un proceso que se ha utilizado para algunos BMC y marcos de tiempo.

Una diferencia clave entre la fibra de carbono y todos los metales es que la naturaleza compuesta de la fibra de carbono la hace anisotrópica, lo que significa que sus propiedades físicas son diferentes en diferentes direcciones.

Un ejemplo cotidiano de un material anisótropo es una pieza de madera; puedes dividirlo fácilmente a lo largo, pero es mucho más difícil romperlo transversalmente.

Es lo mismo con la fibra de carbono, lo que significa que el diseño de las diferentes piezas es crucial para la forma en que se desplaza el cuadro y qué tan fuerte es. Es por eso que encontrará repetidamente referencias a "lay-up" en materiales de marketing para bicicletas de carbono.

El otro factor importante es el módulo de la fibra de carbono utilizada. Las fibras de módulo más alto serán más rígidas, pero también más frágiles, por lo que incluso un cuadro comercializado como "módulo alto" estará hecho de una mezcla de diferentes grados de fibra de carbono. La fibra de carbono de módulo más alto también es más costosa, pero el resultado final será un cuadro más liviano para la misma resistencia.

A veces también encontrarás otros materiales incorporados en los cuadros de carbono. Un ejemplo es la tecnología Countervail de Bianchi, utilizada en muchos de sus cuadros, que integra una capa de material viscoelástico en la capa de carbono, que según Bianchi ayuda a amortiguar las vibraciones.

Las ventajas de la fibra de carbono son bien conocidas, dada la propensión de las marcas de bicicletas a elogiar sus cuadros de carbono de alta gama que todo lo conquistan.

La capacidad de curar cuidadosamente las propiedades de cada parte del cuadro significa que los cuadros de carbono pueden diseñarse para satisfacer las demandas específicas de la bicicleta y el tipo de conducción para el que está diseñada.

La fibra de carbono se puede usar para hacer un cuadro que sea extremadamente liviano y extremadamente rígido, con la opción de envolver el carbono en formas de tubos aerodinámicos complejos, sin dejar de considerar la calidad de conducción y la comodidad.

Sin embargo, eso le costará, y la fibra de carbono no siempre es la mejor opción para cuadros más económicos, donde las opciones de aluminio más asequibles pueden ofrecer características de manejo similares, o mejores, por menos dinero.

Otra desventaja de la fibra de carbono sobre los marcos de metal es que no se puede escariar ni roscar para proporcionar roscas que permitan atornillar los componentes. Cojinetes roscados de la casa.

Los cojinetes de pedalier de ajuste a presión, en particular, tienen la reputación de crujir, mientras que las inserciones de metal agregarán peso a una bicicleta y pueden presentar problemas de alineación si no se hacen correctamente.

La fibra de carbono también es bastante fácil de aplastar, por lo que puede dañarse fácilmente en áreas como las punteras de liberación rápida. Es por eso que las bicicletas de carbono a menudo tienen punteras o inserciones de metal para los ejes pasantes, o incluyen protectores de metal para estas áreas.

Golpes y golpes también pueden causar daños en el interior de los tubos del marco, que pueden no ser visibles desde el exterior y que pueden causar que el marco se rompa inesperadamente. Si su cuadro de carbono tiene un golpe o un choque fuerte, debe inspeccionarlo antes de volver a montarlo. Puede requerir inspección por ultrasonido o rayos X para detectar daños internos.

Si rompe su cuadro de carbono, hay opciones limitadas para reciclar, mientras que con cuadros de metal es fácil. El valor del titanio, en particular, significa que es poco probable que termine en un vertedero.

Si bien la fibra de carbono, el titanio, el acero y el aluminio son, con mucho, los materiales más comunes utilizados para los cuadros de las bicicletas, también hay algunas opciones más raras.

A veces verá marcos descritos como escandio. Sin embargo, es un elemento demasiado raro para usarse en un cuadro de bicicleta completo, y los cuadros de escandio son en realidad una aleación de aluminio con un pequeño porcentaje de escandio, junto con otros metales. El contenido de escandio está ahí para aumentar la resistencia de la tubería de aleación.

Algunas bicicletas y piezas de bicicletas se han fabricado con aleación de magnesio y sigue amenazando con reaparecer, con marcos de nicho hechos de este material. La aleación de magnesio es más ligera que el aluminio y también más resistente, aunque menos rígida. Tuvo su apogeo a principios de la década de 1990 cuando el cuadro de bicicleta Kirk Precision se compitió en el Tour de Francia. La Pinarello Dogma se fabricó con magnesio en 2006. Vaast también produce una gama de cuadros de magnesio, incluida la bicicleta gravel Vaast A/1.

Los materiales naturales han encontrado un nicho en los cuadros de las bicicletas. Varias marcas venden bicicletas con tubos de cuadro hechos de bambú. Los pasajeros informan que es cómodo y que hace un buen trabajo al amortiguar las vibraciones de la carretera. El resultado es una bicicleta que es un poco más pesada que otros materiales y, aunque los tubos de bambú cuentan con excelentes credenciales ecológicas, es posible que necesiten tacos y resinas para unirlos que son menos respetuosos con el medio ambiente.

El lino también se ha utilizado como componente de cuadros de bicicletas, generalmente en combinación con fibra de carbono, ya que se afirma que absorbe las vibraciones mejor que el carbono solo. Se utiliza en la gama de bicicletas de resistencia LOOK 765 y también se presentó en una serie de bicicletas lanzadas a mediados de la década de 2000 por la leyenda de las carreras Johan Museeuw.

Paul ha estado escribiendo sobre tecnología de bicicletas y revisando todo lo relacionado con el ciclismo durante casi una década. Estuvo cinco años en Cycling Weekly y también ha escrito para títulos como CyclingNews, Cyclist y BikePerfect, además de ser un colaborador habitual de BikeRadar. En cuanto a la tecnología, ha cubierto todo, desde el ancho de la llanta hasta las últimas computadoras de ciclismo. Revisó algunas de las primeras bicicletas eléctricas para Cycling Weekly y ha cubierto su desarrollo hasta convertirse en las sofisticadas máquinas que son hoy en día, convirtiéndose en un experto en todo lo relacionado con la electricidad. A Paul le gustaba la grava incluso antes de que se inventara, montando una bicicleta de ciclocross a través de South Downs y a lo largo de caminos embarrados a través de Chilterns. También incursionó en el ciclismo de montaña a campo traviesa. Lo que más le enorgullece es haber recorrido la longitud de South Downs Way en una crosser y haber cumplido su ambición de mucho tiempo de escalar Monte Grappa en una bicicleta de carretera.

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