Carbon fiber (serat karbon) tidak diragukan lagi sebagai salah satu keajaiban pada sepeda, tanpa melihat jenis sepedanya. Berkat dari rasio atau perbandingan antara kekuatan dan berat, kemampuan bentuk rangka yang bisa dicustom, dan daya tahan tidak lekang waktu, membuat produsen sepeda membuat produk apapun yang mereka punya beralih ke karbon. Bisa dikatakan sepeda modern akan memasuki era karbon.

Material lain untuk sepeda lebih susah pengerjaan dalam hal kemudahan dan keterbatasan bentuk dan desain. Carbon fiber mudah dicetak dan dibentuk mengikuti apapun yang diinginkan oleh desainer sepeda. Kemampuan inilah yang menjadi kelebihan material karbon untuk membuat rangka sepeda yang aerodinamis, kuat, dan sangat ringan!

Serat Karbon mulai terkenal pada awal 1990 an, walaupun sudah mulai dipakai sejak dari akhir 1980an. Material karbon dipuja karena bobotnya yang sangat ringan dibandingkan dengan material stainless atupun aluminium pada saat itu. Awalnya serat karbon sangat mahal, walaupun memiliki kekuatan yang lebih tetapi tidak terlalu menonjol dibandingkan material lain, tetapi perkembangan teknologi yang terus berkembang dan peminat yang bertambah, membuat material karbon menjadi primadona bagi sepeda. Seiring waktu, pemakaian bahan karbon sudah meluas ke banyak komponen sepeda, tidak hanya frame/rangka. Selain kelebihan dari kemampuannya, dengan sepeda berbahan karbon juga bisa mengurangi kelelalahan pada pesepeda dibandingkan bahan dari material lainnya.

Kelebihan Karbon:

• Kuat, kuat, dan kuat
• Ringan
• Tahan karat
• Daya tahan lama sekali
• Koefisien thermal expansion rendah (susah berubah bentuk akibat panas)
• Kontrol pada desain sepeda dan komponen yang tidak terbatas

Kekurangan Karbon:

• Harga masih mahal
• Patah jika ada retak
• Perawatan yang khusus
• Perbaikan memerlukan alat dan skill yang khusus
• Kuantitas produksi masih belum sebanyak material metal lain

Apa itu material karbon

Ketika kita mengatakan bahan karbon pada sepeda, perlu untuk memahami produk akhirnya sebenarnya adalah komposit material yang terbuat dari serat karbon sendiri dan resin. Serat karbon besarnya bisa bervariasi, tetapi jauh lebih tipis dari ketebalan rambut. Satuan dari serat karbon ini akan “diikat” bersama dalam sebuah tow, yang kemudian akan “dianyam” menjadi lembaran atau seperti lapisan kain. Jika tidak dibuat dengan baik, resin bisa menjadi bagian atau bidang lemah dari composite tersebut, sehingga pada pembuatannya tow haruslah menempel serekat mungkin.

Serat karbon pada sepeda seringkali bersifat unidirectional (satu arah), sehingga sudut pelapisannya menjadi sangat penting. Pelapisan serat karbon pada sudut tertentu akan membuat kekuatan dan kekakuan pada arah tersebut. Contohnya: jika tekanan diberikan pada arah yang berlawanan dari pelapisan, komposite karbon akan dapat menahan tekanan tersebut. Tetapi jika serat karbon ditekan searah dengan pelapisannya, menciptakan kelenturan. Kunci dari perlapisan atau layering adalah menciptakan kekakuan dan kekuatan di tempat yang dibutuhkan, tetapi juga memberikan kelenturan di lokasi lain di mana diperlukan – sesuatu yang menjadi harus difikirkan oleh industri material karbon.

Jenis dari serat karbon menjadi pertimbangan penting pada produk akhir, sepenting cara penggunaanya. Serat karbon bisa kuat atau kaku, tetapi tidak keduanya. Sehingga, engineer desainer merancang rangka sepeda dengan memasang serat yang lebih kuat pada area yang membutuhkan kekuatan, seperti headtube. Pada lokasi tersebut, serat karbon penting untuk mampu menyerap tekanan sekaligus menghindari keretakan. Beberapa tempat pada sepeda memerlukan kekakuan untuk memaksimalkan transfer tenaga, seperti bottom bracket, disini digunakan serat karbon yang lebih kaku.

Beberapa frame karbon kelas atas, seperti sepeda balap Canyon Ultimate CF SLX Disc 9.0 DI2 (berat framenya hanya 820 gram), menyatakan terbuat dari sekitar 400 lebih lembaran serat karbon. Sementara frame aluminoum pada frame sepeda sejenis Canyon Endurance AL Disc 8.0 adalah 1350 gram. Proses yang kompleks untuk memilih serat karbon yang tepat, digabungkan dan dikuatkan oleh resin, teknik pelapisan yang bagus, arah serat dan metode pencetakan akan menentukan performa sepeda.

Bagaimana karbon dibuat

Carbon fiber berasal dari polimer, yang diolah melalui proses pemanasan menjadi benang panjang atom carbon. Benang panjang ini (filament) berdiameter – micron, 10-20 lebih kecil dari rambut manusia.

Serat karbon bentuknya mirip seperti benang wol, kumpulan dari banyak benang atau serat-serat tipis dan halus. Serat karbon tersebut lalu disusun sejajar, dan dicampur dengan resin untuk membuat lembaran besar serat karbon atau yang disebut tow. Jumlah filament atau benang-benang halus yang dipakai pada saat membuat tow dipakai untuk menamakan carbon tow tersebut. Penamaan dalam satuan ribu (K), contohnya carbon tow dengan 3000 filament dinamakan 3K, pemakaian 6000 filamen dinamakan 6K, dan seterusnya.

Banyak resin akan membuat komposite menjadi lebih berat dan lemah, sehingga bahan karbon komposite yang kuat akan berusaha menggunakan resin seidikit mungkin.

Kebanyakan manufaktur rangka sepeda menerima lembaran carbon fiber dalam keadaan setengah jadi, resin masih belum melekat sempurna, yang dinamakan pre-preg. Lembaran ini berbentuk gulungan, dengan lapisan anti lengket seperti pada stiker pada satu sisinya agar tidak melekat. Nantinya resin akan diaktifkan atau dimatangkan dengan panas, dan biasanya pre-preg disimpan dalam freezer/kulkas sampai akan dipakai.

Lembaran ini lalu dipotong sesuai dengan bentuk dan ukuran tertentu yang akan dipakai untuk membuat rangka sepeda atau komponen lainnya.

Tow atau lapisan serat karbon mentah disusun dari filament satu arah, sehingga tidak cukup kuat untuk menahan tekanan dari arah sejajar. Nantinya tow bisa dianyam dengan dengan sudut tertentu, biasanya menyilang, sehingga kuat untuk menahan tekanan dari segala arah. Pola seperti kotak-kotak ini mungkin sudah sering kita lihat pada material karbon.

• Monocoque/monokok

Cara paling umum untuk membuat rangka sepeda karbon adalah dengan menggunakan cetakan dan bladder. Membuat cetakan rangka merupakan proses panjang yang membutuhkan penelitian dan pengembangan untuk memastikan unsur-unsur yang diperlukan untuk mendapatkan hasil yang diinginkan. Sebagai contoh, sepeda aerodinamis tidak hanya memerlukan cetakan yang berbeda dengan sepeda enduro, tetapi juga memiliki protokol test dan analisa yang berbeda. Dan setiap ukuran sepeda juga akan memakai cetakan yang berbeda. Setiap cetakan dan tambahan untuk satu jenis frame bisa menghabiskan biaya sampai 2,5 milyar. Mungkin ini salah satu alasan kenapa produsen sepeda terkemuka tidak mengeluarkan produk baru sepeda karbon seperti sepeda material metal, karena ingin mengembalikan nilai investasi dari cetakan yang ada.

Lembaran-lembaran karbon itu lalu dipotong dan disusun mengikuti desain rangka sepeda. Untuk frame set, bisa sampai mekakai 300an lembar, fork sepeda bisa memakai 170 lembar.

Setelah cetakan dibuat, composite carbon fiber dilapisi pada cetakan mengikuti instruksi atau standard dari manufaktur untuk tebal, perlapisan, arah dan jenis. Seluruh proses ini memerlukan pengerjaan manual (dengan tangan) yang intensive, setiap pabrikan besar mempunyai banyak orang untuk membuat komponen carbon fiber ini untuk mengejar target produksi yang besar. Tenaga kerja juga membutuhkan skill yang tinggi agar bisa mengikuti instruksi yang detail.

Adanya kerutan pada lapisan yang diakibatkan pelapisan yang tidak sempurna akan menjadi titik lemah, biasanya latex ditambahkan ke dalamnya dan mengembang untuk menutup celah yang ada. Foam/busa juga ditambahkan ke bagian dalam untuk memberikan tekanan dari arah dalam, agar menghasilkan bentuk yang sempurna. Lalu didiamkan dalam panas, ditekan, divacuum, sampai semua komponen menyatu dan dikeraskan. Setelah itu, karbon dikeluarkan dari cetakan, diperiksa kualitasnya, dibersihkan, dicat ulang, dan siap untuk dipakai pada sepeda. Pada proses monocoque, satu frame sepeda bisa memakan waktu sampai 10 hari sampai benar-benar bisa dipakai.

Kalau dikerjakan dengan benar, rangka sepeda karbon monocoque (monokok) adalah yang terbaik. Paling kuat, ringan, dan sedikit sekali gap atau celah pada komponennya. Tetapi kekurangannya adalah harga yang mahal dan ketersediannya yang tidak terlalu banyak. Karena memang lebih rumit dan lama pengerjaaannya.

• Tube To Tube

Untuk menghemat waktu dan biaya monocoque seperti yang dijleaskan di atas, pabrikan sepeda karbon memakai teknik tube to tube. Mirip seperti membuat sepeda berbahan metal, tetapi bahan yang dipakai adalah karbon. Rangka sepeda tidak dicetak sekaligus semua, tetapi mencetak tube atau batang nya masing-masing, lalu disatukan dengan menambah matrial karbon lagi pada sambungannya. Kalau pada rangka sepeda metal dilas pada sambungan, pada sepeda karbon seperti di selotip dengan karbon lalu dipanaskan dan dikuatkan.

Kekuatan dari rangka sepeda karbon tube to tube ini tidak akan sekuat sepeda karbon monocoque, karena adanya bidang sambungan-sambungan pada framenya.

• Lugged Carbon

Metode ini adalah metode yang paling cepat dan murah. Batang-batang karbon yang dicetak, akan disambungkan dan dimasukkan ke dalam struktur dasar sepeda. Struktur dasarnya tidak semua dari material karbon, tetapi bisa juga memakai material lain seprti titanium, aluminium dan lainnya. Kelebihannya adalah kemudahan pemasangan dan fleksibilitas untuk bentuk designnya. Dapat dengan mudah dipakai pada desain terbaru. Tetapi karena adanya keragaman material, dan metoda penyambungan yang plug and play, maka kekuatannya juga tidak sekuat dan bobotnya tidak seringan tube to tube dan monocoque.

Tingkatan Material Karbon

Kekuatan dan kekakuan dari carbon dinamakan modulus. Nilai modulus yang lebih tinggi dicapai dengan memakai benang carbon (filament) yang lebih tipis, sehingga menghasilakn bentuk akhir yang lebih tipis dan halus.

Istilah modulus dipakai sebagai bahan marketing dari produsen karbon, tetapi yang perlu dicatat adalah belum ada standarisasi nilai modulus pada industri sepeda. Tidak semua merk memakai standar nilai modulus yang sama. Suatu merk bisa mengatakan “ultra high modulus” tetapi aktualnya lebih lemah dari merk lain yang mengatakan “low modulus”.

Salah satu standard yang ada adalah oleh Japan Carbon Fiber Manufacturers Association (JCMA), yang membagi berdasarkan kekekuatan dan kekakuan material karbon

Tabel JCMA untuk pembagian kelas atau grade material carbon

Elastic modulus type grade	Tensile elastic modulus	Tensile strength
Ultra high	600 GPa or higher	2,500 MPa atau lebih tinggi
High	350-600 GPa	2,500 MPa atau lebih tinggi
Intermediate	280-350 GPa	3,500 MPa atau lebih tinggi
Standard	200-280 Gpa	2,500 MPa atau lebih tinggi
Low	200 Gpa atau lebih rendah	3,500 MPa atau lebih tinggi

• Tensile elastic modulus: kekakuan (stiffness), atau seberapa kuat material dapat menahan tarikan atau renggangan.
• GPA: Gigapascals, satuan untuk mengukur modulus
• Tensile Strength: kekuatan (strength), menyatakan seberapa kuat material karbon bisa menerima tekanan sebelum berubah bentuk
• MPa: Megapascals. Satuan untuk mengukur kekuatan tensile.

Dari tabel kelas karbon di atas, bisa dijelaskan:

• Standard Modulus: Relativ kuat dan kaku, harga yang lebih murah, dan banyak dipakai pada sepeda entri level atau kelas pemula.
  Digunakan pada: Tube, sambungan tube, area yang tertekan sekitar head tube, down tube, dan chainstay (bahkan pada high end bike).
• Intermediate modulus: Bahan karbon yang paling kuat, dipakai pada sepeda kelas menengah dan kelas atas.
  Digunakan pada: Area regangan tinggi seperti tempat duduk, dan di daerah yang membutuhkan kekuatan, seperti top tube, down tube, dan bagian dari head tube.
• High Modulus: Bahan ini memiliki kekakuan 62% lebih tinggi dari standard modulud, tetapi lebih rapuh. Sepeda kelas atas biasanya memiliki 25% bahan high modulus.
  Digunakan pada: Area yang membutuhkan ekstra penopangan, seperti down tube, seat tube, dan chainstay.
• Ultra high modulus: Bahan karbon yang paling kaku, sangat getas dan sangat mahal. Hanya dipakai pada sepeda pilihan, sering dikombinasikan dengan intermediate modulus, dan biasanya dipakai hanya 15% dari keseluruhan rangka sepeda.
  Digunakan pada: area yang menerima tekanan rendah, tetapi gaya tarik yang tinggi, seperti bagian tengah dari top tube.

Perbandingan karbon dengan material lainnya

Untuk membandingkan kekuatan dan kekakuan material karbon, aluminium, alloy, baja, titanium, dan lainnya pada sepeda, tidak hanya tergantung materialnya saja, tetapi juga akan dipengaruhi oleh faktor lain seperti bentuk geometri, struktur, tebal, sambungan, dan beberapa lainnya.

Tabel perbandingan di bawah ini hanya melihat pada bentuk yang sama, tetapi bisa dipakai sebagai acuan perbandingan antara bahan yang dipakai pada sepeda.

Sumber: Wikipedia –  Specific strength dan Specific Modulus

Gunakan data:

• Tensile strength : untuk perbnadingan kekuatan (strength)
• Young’s Modulus : untuk perbandingan kekakuan (stiffness)
• Berat jenis: untuke perbandingan berat (weight)

Contoh: Carbon (AS4) Vs Aluminium alloy 6061: Material Karbon lebih kuat 13 kali, lebih ringan 1.5 kali, lebih kaku 34 kali dibandingkan aluminium alloy.

Perbandingan aktual pada sepeda,  saya mencoba membandingkan hubungan antara berat dan harga antara sepeda carbon dengan sepeda non – carbon. Perbandingan tidak 100% dipengaruhi oleh komponen karbon saja, tetapi juga komponen, sepeda yang dibandingkan memiliki bentuk yang relatif sama.

Pemilihan sepeda karbon akan mempengaruhi kekuatan, kekakuan, berat, dan harga. Ada yang mengutamakan harga, ada juga yang mengutamakan berat, atau lainnya. Sesuaikan dengan tujuan bersepeda, agar bisa memutuskan apakah cocok untuk memakai sepeda dengan material karbon.

Baca juga artikel: tips dan trik perawatan rangka dan komponen sepeda karbon.

Pertanyaan umum tentang rangka sepeda karbon

Apakah karbon memiliki masa pakai?