Produsenter elsker å skryte av karbonfiberopplegg, så Cyclist bestemte seg for å undersøke hva dette betyr og hvordan det påvirker ytelsen
En sykkel, det sier seg selv, er tidenes beste julegave, men med mulig unntak av en valp er den også den vanskeligste å pakke inn. Så synd på den stakkars rammedesigneren som må vikle og drapere karbon rundt sine komplekse kurver slik at rammen, når den er bakt og ferdig, gir den ønskede kjørefølelsen. Konstruksjonen av en karbonfiberramme er et komplekst 3D-puslespill som formørker Rubiks kube.
Det fine med karbon er at, i motsetning til metall, kan flere stykker legges på lag ved forskjellige grader av kryss og overlapping for å gi veldig tett kontroll over ytelsesegenskapene og styrken som kreves på et gitt punkt på en sykkelramme. Ulempen er at karbon er anisotropisk – det er sterkere i én retning enn en annen på samme måte som tre – noe som betyr at styrken er avhengig av fibrenes retning. For at karbon skal bære betydelige belastninger, må kreftene rettes langs fibrene, noe som gjør fiberretningen helt avgjørende. En sykkelrammes bestanddeler opplever krefter i flere retninger, noe som betyr at karbonfibrene også må løpe i flere retninger. Det er grunnen til at forskjellige lag har fibrene sine i forskjellige vinkler, vanligvis 0° (på linje), +45°, -45°, +90° og -90°, og faktisk hvilken som helst vinkel valgt av designerne hvis det vil skape de ønskede egenskapene.
I dypet
Slik er det for alle karbonrammer. Under det skinnende eksteriøret er det mange lag med karbonfiberbiter hvis stivhet, styrke, form, størrelse, posisjon og orientering er møysommelig planlagt, vanligvis av en kombinasjon av dataprogramvarepakker og ingeniørers ekspertise. Dette er kjent som lay-up-planen, eller bare lay-up. Når karbonstikksagen er ferdig, må sykkelen være lett, responsiv, kostnadseffektiv og i stand til å tåle de mest ekstreme kreftene ved sykling.
Professor Dan Adams, direktør for komposittmekanikklaboratoriet ved University of Utah i S alt Lake City, selv en ivrig syklist og som var involvert i utviklingen av Treks første karbonrammer, sier at det å konstruere alt fra karbon er alt om riktig oppleggsplan. "Den spesifiserer orienteringen til individuelle lag eller lag med karbon/epoksy prepreg, stablet opp for å gjøre den endelige delen tykkelse," sier han. «Noen rammedeler er lettere å legge opp enn andre. Rørene er relativt enkle, men knutepunktene mellom dem er noen av de mest komplekse lagoppleggene du vil se i produksjonsdeler i enhver industri som bruker karbon strukturelt, inkludert romfart og bilindustri.’
Carbons anisotrope natur gjør også valg av riktig karbon avgjørende. På det enkleste er det to måter karbon tilføres på. Unidirectional (UD) har alle karbonfibrene som løper i én retning, parallelt med hverandre. Alternativet til UD er et vevd stoff, eller "klut". Den har fibre som går i to retninger, som går under og over hverandre i rette vinkler for å gi det klassiske utseendet til karbonfiber. I det enkleste stoffet, kjent som vanlig vev, snøres fibrene under og over ved hver kryssing (k alt '1/1') for å produsere et rutenettlignende mønster. Det er mange andre mulige vevemønstre. Twill (2/2) er litt løsere, så lettere å drapere og lett gjenkjennelig på det diagonale mønsteret, som ser ut som vinkler.
Modulen (et mål på elastisitet) til fiberen er også grunnleggende for et gitt opplegg. Modulus definerer hvor stiv en fiber er. En standard modulusfiber, vurdert til 265 gigapascal (GPa) er mindre stiv enn en middels modulusfiber vurdert til 320GPa. Mindre karbon med høyere modul er nødvendig for å lage komponenter med samme stivhet, noe som resulterer i et lettere produkt. Fiber med høyere modul kan derfor virke som det foretrukne valget, men det er en hake. En analogi kan lages med en gummistrikk kontra et stykke spaghetti. Gummibåndet er veldig elastisk (har lav modul) og kan bøyes med svært liten kraft, men vil ikke knekke, pluss at det vil gå tilbake til sin opprinnelige form etter bøyning. Spaghettien, på den annen side, er veldig stiv (høy modul) så vil motstå deformasjon til et punkt, og deretter bare bryte. Markedsavdelinger skryter ofte av inkluderingen av en viss fibermodul i den nyeste rammedesignen, men i de fleste tilfeller er en sykkelramme en nøye balanse mellom flere typer modul i oppsettet for å levere en ønskelig kombinasjon av stivhet, holdbarhet og fleksibilitet.
Det er én variabel til å vurdere. En enkelt tråd med karbonfiber er ekstremt tynn – mye tynnere enn et menneskehår, så de er bundet sammen for å danne det som kalles et "tow". For sykler kan et slep inneholde alt mellom 1 000 og 12 000 tråder, selv om 3 000 (skrevet som 3K) er mest vanlig.
Fiber dette, fiber som
Dette er det grunnleggende, men å lage en lay-up blir komplisert. "Fra et ren styrke- og stivhetssynspunkt vil den ideelle kompositten ha høyest mulig andel fiber til harpiks og minst mulig bøyning i fiberen," sier Dr Peter Giddings, en forskningsingeniør ved National Composites Centre, Bristol, som har jobbet med sykler og kjørte dem i mange år. "Ensrettede fibre, i det minste teoretisk, er det beste valget for dette. UD-materialer har et økt forhold mellom stivhet og vekt i fiberretningen. Dessverre er UD-kompositter mer utsatt for skade, og når de først er skadet, er det mer sannsynlig at de svikter enn vevde stoffer.’
Å bygge en ramme utelukkende fra UD-karbonlag ville skape en sykkel som var farlig sprø, for ikke å nevne uoverkommelig dyr på grunn av material- og timekostnadene. Derfor dominerer vevd karbon og er det åpenbare valget for alle områder der det er trange kurver og komplekse fugeformer. Dessuten liker folk utseendet. "Estetisk anses vevde materialer å se bedre ut enn ensrettede materialer, og publikums oppfatning av en kompositt er et vevd stoff," sier Giddings. "Faktisk maler mange produsenter [derfor skjuler] områder der rammekonstruksjonen forhindrer et glatt, vevd utseende."
Enkel fabrikasjon må også tas med i en oppleggsplan for å ta hensyn til lønnskostnader. For komplekse skjøter og former vil det ta mye lengre tid å lage det ideelle opplegget med UD-fibre. Det er en annen grunn til at vevde stoffer er det foretrukne valget for de fleste karbonsykkelprodusenter. "Vevd klut er lettere å jobbe med enn UD og krever mindre dyktighet for å tilpasse den til en nødvendig form," sier Giddings. "UD har en tendens til å splitte eller knekke rundt komplekse former. Løstvevde stoffer tilpasser seg lettere og strukturens totale styrke påvirkes mindre av mindre produksjonsfeil.’
Produsenter vil sannsynligvis velge et opplegg med vevd karbon på de mest komplekse områdene, for eksempel bunnbraketten og hoderørskjøtene, men det er fortsatt ikke så enkelt som det høres ut fordi det er en annen faktor å vurdere. "Du vil beholde kontinuiteten i fiberorienteringen ikke bare rundt veikryss, men gjennom og utover dem," sier Paul Remy, en sykkelingeniør ved Scott Sports. «Det kan være komplekse krumninger ved et kryss som bunnbraketten, så du må tenke på en måte å fortsette fibrenes orientering på, for å overføre belastningen gjennom dem.»
Det er her rammeingeniører som Remy er takknemlige for hjelpen fra informatikk. Tidligere var den eneste måten å vite hvordan de forskjellige endringene i oppleggsplanen kan påvirke sluttresultatet å bygge og teste flere prototyper, men nå kan en oppleggsplan testes med en svært høy grad av nøyaktighet av datamaskiner før en enkelt fibertråd har rørt seg ned i en rammeform.
‘Tidligere var det veldig vanskelig å vite hvilken effekt å endre bare én del av oppsettet ville ha på ytelsen til rammen, sier Remy.
Bob Parlee, grunnlegger av Massachusetts-baserte Parlee Cycles, husker de gamle dagene før datamaskiner gjorde alle tallknusing ganske godt: «Hvis du forstår belastningen på en truss-struktur som en ramme, er lay-ups enkle, så til å begynne med kunne jeg regne ut dem selv i hodet mitt.» Parlee har siden innrømmet at datamaskin finite element analysis (FEA) har sin plass. «Opprinnelig ville jeg ikke satt hull i rammerør [for kabelinnføringspunkter eller montering av flaskeholdere] fordi de var potensielle svake punkter, men nå forteller FEA oss hva vi skal gjøre for å forsterke det hullet,» sier han.
Økende datakraft sammen med stadig mer sofistikert programvare gjør at ingeniører kan analysere mange virtuelle modeller på kort tid og flytte grensene for design og materialer. I følge spesialisert designingeniør Chris Meertens, 'Iteration er navnet på spillet. FEA-verktøy lager en representativ modell av rammen, og målet er å få tatt hensyn til hver fiber. Programvaren lar meg designe hvert lag, basert på en optimaliseringsmodell for de 17 lasttilfellene vi har for en modellramme.’
Det betyr at programvaren instruerer Meertens hvor mye karbon som skal være i hvert område av rammen, og den optimale orienteringen for fibrene. Ferdigheten er imidlertid i å vite hva som er og ikke er mulig med karbonopplegg. Noen ganger spytter datamaskinen ut idealer som er langt fra ideelle. "Mesteparten av tiden ser jeg på det og sier: "Det er ingen måte vi kan gjøre det," sier Meertens. «Så da blir jeg opptatt med laminatdraperingsprogramvare for å kutte virtuelle lag og drapere dem på en virtuell dor, basert på produksjonsmuligheter og laminatoptimaliseringer.»
Selv ved bruk av dataprogramvare kan dette ta dager å tyde, og det er fortsatt en lang vei å gå før oppsettet er endelig definert. Et aspekt hvor det menneskelige elementet er essensielt er å sørge for at riktig fiberkvalitet brukes på rett sted. Meertens sier, 0° fiber er veldig stiv, men har ikke god slagstyrke, så for å holde komposittskadetoleransen, må vi unngå å legge for mye på steder som bunnen av et nedrør. Jeg vet på dette stadiet hvilke lagformer jeg trenger, men nå vil jeg vite hvor mange av hvert lag. Så jeg kjører et annet optimaliseringsprogram som forteller meg hvor tykke jeg bør lage dem – egentlig antall lag. Den vil analysere alt fra 30 til 50 kombinasjoner av lag. Vi går gjennom syklusen med virtuell drapering og optimalisering fire eller fem ganger, og finjusterer lagene litt mer hver gang. Men på et tidspunkt må vi trykke «Go» og sende den av gårde.’
Definitiv veiledning
Oppleggingsplanen er som et 3D-kart, som beskriver hvert stykke formet karbon i hvert lag. "Rammen er delt opp i ni soner: to setestag, to kjedestag, bunnbrakett, sete, topp, hode og nedrør," sier Meertens.'Vi spesifiserer datumet, som er en akse, for hver sone. Orienteringen til hvert karbonstykke i en sone er da relatert til dette datumet. Et nedrør kan ha lag i 45°, 30° og 0° i forhold til det lokale datumet. Generelt brukes materialet med høyere styrke utenfor aksen, i en vinkel. Materialet med høyere modul bruker vi aksi alt, ved 0°.’
Den resulterende filen kan være opptil 100 Mb stor og sendes til slutt til fabrikkgulvet. Hver arbeider i fabrikken mottar kun den delen som er relevant for den delen av rammen de er ansvarlige for å lage. Dette er fortsatt ikke den endelige produksjonen. Den bygde rammen er en prototype på dette stadiet, og den må testes for å sikre at den digit alt utformede lay-upen resulterer i en ramme som fungerer i praksis. Ultralyd, røntgeninspeksjon og fysisk disseksjon avslører laminattykkelser. Andre steder vil harpiksmatrisen brennes bort for å avsløre kvaliteten på lamineringen og om materiale eller fibre har migrert. Bøyetester skal vise samme resultater som FEA-analysen. Til syvende og sist er det imidlertid et menneske som tar det ut på veien.
‘Å sykle er den eneste måten vi virkelig kan kvantifisere det på, sier Bob Parlee. «Vi kan gjøre bøye- og belastningstestene, men vi må ut og ri den for å se om den fungerer som vi vil.» Når modellen har bestått mønstringen, får produksjonen endelig grønt lys.
Det meste av sykkelproduksjonen skjer i Fjernøsten, og dette legger enda større vekt på oppleggsplanen. Den detaljerte planen, hvis den følges til punkt og prikke, skal sikre at produktene som kommer ut fra de store fabrikkene er identiske tvillinger av de som ble testet og bestått på det siste prototypestadiet. Selvfølgelig tester og tester de fleste merker produksjonsrammer kontinuerlig for å sikre konsistens slik at syklene som kommer til butikkene oppfyller kundenes forventninger. I de fleste tilfeller kan produsenter også spore en rammes hele reise, helt tilbake til opprinnelsen til de aller første fibertrådene. Noe du bør tenke på neste gang du står og beundrer din stolthet og glede.
