Производителите обичат да се хвалят с въглеродни влакна, така че Cyclist реши да проучи какво означава това и как влияе на производителността
Велосипедът, разбира се, е най-добрият коледен подарък на всички времена, но с изключение може би на кученце, той е и най-трудният за опаковане. Така че съжалявам за бедния дизайнер на рамката, който трябва да увие и драпира карбон около сложните си извивки, така че, когато е изпечена и завършена, рамката доставя желаното усещане при каране. Конструкцията на рамка от въглеродни влакна е сложен 3D пъзел, който засенчва кубчето на Рубик.
Красотата на въглерода е, че за разлика от метала, множество части могат да бъдат наслоени в различни степени на пресичане и припокриване, за да осигурят много строг контрол върху характеристиките на производителност и силата, изисквани във всяка дадена точка от рамката на велосипеда. Недостатъкът е, че въглеродът е анизотропен – той е по-силен в една посока от друга по подобен начин на дървото – което означава, че здравината зависи от посоката на влакната. За да може въглеродът да носи значителни натоварвания, силите трябва да бъдат насочени по протежение на неговите влакна, което прави посоката на влакната абсолютно решаваща. Съставните секции на рамката на велосипеда изпитват сили в няколко посоки, което означава, че въглеродните влакна също трябва да се движат в няколко посоки. Ето защо различните слоеве имат своите влакна под различни ъгли, обикновено 0° (в линия), +45°, -45°, +90° и -90°, и наистина всеки ъгъл, избран от дизайнерите, ако ще създаде желаните атрибути.
В дълбините
Така е за всички карбонови рамки. Под лъскавите екстериори има много слоеве от части от въглеродни влакна, чиято твърдост, здравина, форми, размери, позиции и ориентации са старателно планирани, обикновено чрез комбинация от компютърни софтуерни пакети и опит на инженерите. Това е известно като график за lay-up или просто lay-up. Когато карбоновият прободен трион е завършен, велосипедът трябва да бъде лек, отзивчив, рентабилен и способен да издържи на най-екстремните сили при колоездене.
Професор Дан Адамс, директор на лабораторията по механика на композитни материали в Университета на Юта в Солт Лейк Сити, самият той запален колоездач и участвал в разработването на първите карбонови рамки на Trek, казва, че конструирането на нещо от въглерод е всичко относно правилния график за стягане. „Той определя ориентацията на отделните слоеве или слоеве от въглероден/епоксиден препрег, подредени, за да направят крайната дебелина на детайла“, казва той. „Някои части на рамката се поставят по-лесно от други. Тръбите са сравнително прости, но връзките между тях са едни от най-сложните слоеве, които ще видите в производствените части във всяка индустрия, която структурно използва въглерод, включително аерокосмическата и автомобилната.“
Анизотропната природа на въглерода също прави избора на правилния въглерод от решаващо значение. Най-просто, има два начина за доставяне на въглерод. Еднопосочният (UD) има всички въглеродни влакна, движещи се в една посока, успоредни едно на друго. Алтернативата на UD е тъкана тъкан или „кърпа“. Има влакна, които се движат в две посоки, минавайки едно под и над друго под прав ъгъл, за да придадат класическия вид на въглеродни влакна. В най-простата тъкан, известна като обикновена тъкан, влакната се сплитат отдолу и отгоре при всяко кръстосване (наречено „1/1“), за да се получи решетъчен модел. Има много други възможни модели на тъкане. Кепърът (2/2) е малко по-свободен, така че е по-лесен за драпиране и лесно разпознаваем по диагоналния си модел, който прилича на шеврони.
Модулът (мярка за еластичност) на влакното също е основен за дадено подреждане. Модулът определя колко твърдо е влакното. Стандартно модулно влакно, оценено на 265 гигапаскала (GPa) е по-малко твърдо от междинно модулно влакно, оценено на 320 GPa. Необходим е по-малко въглерод с по-висок модул, за да се направят компоненти със същата твърдост, което води до по-лек продукт. Поради това влакната с по-висок модул може да изглеждат като предпочитан избор, но има една уловка. Може да се направи аналогия с ластик срещу парче спагети. Гумената лента е много еластична (има нисък модул) и може да се огъне с много малко приложена сила, но няма да се скъса, освен това ще се върне в първоначалната си форма след огъване. Спагетите, от друга страна, са много твърди (с висок модул), така че ще издържат на деформация до точка и след това просто ще се счупят. Маркетинговите отдели често се хвалят с включването на определен модул на влакна в най-новия дизайн на рамката, но в повечето случаи рамката на велосипеда е внимателен баланс на няколко вида модули в рамките на подреждането, за да се осигури желана комбинация от твърдост, издръжливост и гъвкавост.
Има още една променлива за разглеждане. Една нишка от въглеродни влакна е изключително тънка – много по-тънка от човешка коса, така че те са свързани заедно, за да образуват така наречената „кача“. За велосипеди тегличът може да съдържа всичко между 1 000 и 12 000 нишки, въпреки че 3 000 (записани като 3K) са най-често срещаните.
Влакна това, влакна онова
Това са основите, но създаването на подредба става сложно. „От гледна точка на чиста здравина и твърдост, идеалният композит би имал възможно най-голямото съотношение на влакна към смола и най-малкото огъване във влакното“, казва д-р Питър Гидингс, изследователски инженер в Националния център за композити, Бристол, който има работеше с велосипеди и се състезаваше с тях в продължение на много години. „Еднопосочните влакна, поне теоретично, са най-добрият избор за това. UD материалите имат повишено съотношение на твърдост към тегло в посоката на влакната. За съжаление, UD композитите са по-податливи на повреди и, след като бъдат повредени, е по-вероятно да се повредят, отколкото тъканите тъкани.“
Изграждането на рамка изключително от UD въглеродни слоеве би създало мотоциклет, който е опасно крехък, да не говорим за непосилно скъп поради разходите за материал и човекочас. Следователно тъканият карбон доминира и е очевидният избор за всички области, където има стегнати извивки и сложни форми на фуги. Нещо повече, хората харесват външния му вид. „Естетически се счита, че тъканите материали изглеждат по-добре от еднопосочните материали и възприятието на обществото за композит е тъкана тъкан“, казва Гидингс. „Всъщност много производители боядисват [поради което прикриват] зони, където конструкцията на рамката предотвратява гладкия, изтъкан външен вид.“
Лекотата на производство също трябва да бъде включена в графика за монтаж, за да се вземат предвид разходите за труд. За сложни фуги и форми ще отнеме много повече време за създаване на идеалното подреждане с UD влакна. Това е още една причина, поради която тъканите са предпочитаният избор от повечето производители на карбонови велосипеди. „Тъканият плат е по-лесен за работа от UD и изисква по-малко умения, за да го приспособите към необходимата форма“, казва Гидингс. „UD има тенденция да се разцепва или прегъва около сложни форми. Рехаво изтъканите тъкани се адаптират по-лесно и цялостната здравина на структурата е по-малко засегната от незначителни производствени дефекти.'
Производителите вероятно ще изберат подреждане с плетен карбон в най-сложните зони, като долната скоба и кръстовището на тръбата на главата, но все още не е толкова просто, колкото звучи, защото има друг фактор, който трябва да се вземе предвид. „Искате да запазите непрекъснатостта на ориентацията на влакната не само около кръстовищата, но през и отвъд тях“, казва Пол Реми, инженер по велосипеди в Scott Sports. „Може да има сложни изкривявания на кръстовище, като например долната скоба, така че трябва да измислите начин да продължите ориентацията на влакната, да прехвърлите натоварването през тях.“
Тук инженерите на рамки като Реми са благодарни за помощта на компютърните науки. В миналото единственият начин да разберете как различните промени в графика за подреждане могат да повлияят на крайния резултат беше да се изградят и тестват множество прототипи, но сега графикът за подреждане може да бъде тестван с много висока степен на точност от компютри, преди да единична нишка влакно е докоснала долу в калъп на рамка.
„Преди това беше наистина трудно да се разбере какъв ефект ще има промяната само на една част от подреждането върху производителността на рамката“, казва Реми.
Боб Парли, основател на базираната в Масачузетс Parlee Cycles, си спомня онези стари времена, преди компютрите да извършат обработката на всички числа, доста нежно: „Ако разбирате натоварванията върху фермена конструкция като рамка, поставянето е лесно, така че първоначално можех да ги разработя сам наум.“Парли оттогава призна, че компютърният анализ на крайните елементи (FEA) има своето място. „Първоначално не бих сложил дупки в рамковите тръби [за точки за въвеждане на кабели или монтиране на клетка за бутилки], защото те бяха потенциални слаби места, но сега FEA ни казва какво да направим, за да подсилим тази дупка“, казва той.
Увеличаването на изчислителната мощност заедно с все по-усъвършенствания софтуер позволява на инженерите да анализират много виртуални модели за кратко време и да разширят границите на дизайна и материалите. Според специализирания дизайнерски инженер Крис Меертенс, „Итерацията е името на играта. FEA инструментите създават представителен модел на рамката и целта е да се отчете всяко влакно. Софтуерът ми позволява да проектирам всеки слой на базата на оптимизационен модел за 17-те случая на натоварване, които имаме за моделна рамка.“
Това означава, че софтуерът инструктира Meertens колко въглерод трябва да има във всяка област на рамката и оптималната ориентация на влакната. Умението обаче е в това да знаете какво е и какво не е възможно с въглеродни натрупвания. Понякога компютърът бълва идеали, които далеч не са идеални. „През повечето време го гледам и казвам: „Няма начин да го направим“, казва Меертенс. „Така че се занимавам със софтуер за драпиране на ламинат, за да режа виртуални пластове и да ги драпирам върху виртуален дорник, базирайки се на осъществимостта на производството и оптимизациите на ламината.“
Дори с помощта на компютърен софтуер това може да отнеме дни за дешифриране и все още има дълъг път, преди окончателното дефиниране на подредбата. Един аспект, при който човешкият елемент е от съществено значение, е да се гарантира, че правилният клас влакна се използва на правилното място. Meertens казва: „0° влакна са много твърди, но нямат добра якост на удар, така че, за да запазим устойчивостта на композита към повреда, трябва да избягваме да поставяме твърде много на места като дъното на долната тръба. На този етап ще знам какви форми на пластове са ми необходими, но сега искам да знам колко от всеки слой. Така че стартирам друга програма за оптимизация, която ми казва колко дебели трябва да ги направя – по същество броя на слоевете. Той ще анализира от 30 до 50 комбинации от пластове. Ще преминем през цикъла на виртуално драпиране и оптимизиране четири или пет пъти, като всеки път фино настройваме слоевете малко повече. Но в един момент трябва да натиснем „Отиди“и да го изпратим.“
Окончателно ръководство
Графикът за подреждане е като 3D карта, описваща подробно всяко парче оформен карбон във всеки слой. „Рамката е разделена на девет зони: две седалки, две верижки, долна скоба, седалка, горна част, глава и долни тръби“, казва Меертенс.„Ние определяме базата, която е ос, за всяка зона. След това ориентацията на всяко парче въглерод в дадена зона е свързана с тази дата. Долната тръба може да има слоеве на 45°, 30° и 0° спрямо местната базова точка. По принцип материалът с по-висока якост се използва извън оста, под ъгъл. Материалът с по-висок модул, който използваме аксиално, при 0°.’
Полученият файл може да бъде с размер до 100Mb и в крайна сметка се предава на фабричния етаж. Всеки работник във фабриката получава само частта, свързана с частта от рамката, за създаването на която отговаря. Това все още не е финалната производствена серия. Изградената рамка е прототип на този етап и трябва да бъде тествана, за да се гарантира, че дигитално проектираното подреждане води до рамка, която работи на практика. Ултразвукът, рентгеновото изследване и физическата дисекция разкриват дебелината на ламината. На други места матрицата от смола ще бъде изгорена, за да се покаже качеството на ламинирането и дали материалът или влакната са мигрирали. Тестовете за огъване трябва да показват същите резултати като FEA анализа. В крайна сметка обаче човек е този, който го извежда на пътя.
„Карането на велосипед е единственият начин, по който можем наистина да го определим количествено“, казва Боб Парли. „Можем да направим тестовете за огъване и натоварване, но трябва да излезем и да го караме, за да видим дали работи както искаме.“Когато моделът премине проверката, производството най-накрая получава зелена светлина.
По-голямата част от производството на велосипеди се случва в Далечния изток и това придава още по-голямо значение на графика за престой. Фино подробният план, ако се следва буквално, трябва да гарантира, че продуктите, излизащи от тези големи фабрики, са идентични близнаци на тези, които са тествани и са преминали през последния етап на прототипа. Разбира се, повечето марки непрекъснато тестват и тестват отново производствените рамки, за да осигурят последователност, така че велосипедите, достигащи до магазините, да отговарят на очакванията на клиентите. В повечето случаи производителите могат също така да проследят целия път на рамката, чак до произхода на първите нишки от влакна. Което е нещо, за което да помислите следващия път, когато стоите и се възхищавате на гордостта и радостта си.
