Producătorilor le place să se laude cu așezarea fibrei de carbon, așa că Cyclist a decis să investigheze ce înseamnă acest lucru și cum afectează performanța
O bicicletă, este de la sine înțeles, este cel mai bun cadou de Crăciun vreodată, dar, cu posibila excepție a unui cățel, este și cel mai dificil de împachetat. Așadar, păcat de bietul designer de cadru care trebuie să înfășoare și să înfășoare carbonul în jurul curbelor sale complexe, astfel încât, atunci când este copt și terminat, cadrul să ofere senzația de rulare dorită. Construcția unui cadru din fibră de carbon este un puzzle 3D complex care eclipsează Cubul Rubik.
Frumusețea carbonului este că, spre deosebire de metal, mai multe piese pot fi stratificate la diferite grade de intersecție și suprapunere pentru a oferi un control foarte strâns asupra atributelor de performanță și rezistenței necesare în orice punct dat al cadrului unei biciclete. Dezavantajul este că carbonul este anizotrop - este mai puternic într-o direcție decât în alta, într-un mod similar cu lemnul - ceea ce înseamnă că rezistența depinde de direcția fibrelor. Pentru ca carbonul să suporte sarcini semnificative, forțele trebuie direcționate de-a lungul fibrelor sale, ceea ce face ca direcția fibrei să fie absolut crucială. Secțiunile constitutive ale cadrului unei biciclete suferă forțe în mai multe direcții, ceea ce înseamnă că și fibrele de carbon trebuie să ruleze în mai multe direcții. Acesta este motivul pentru care diferite straturi au fibrele lor în unghiuri diferite, de obicei 0° (în linie), +45°, -45°, +90° și -90° și, într-adevăr, orice unghi ales de designeri dacă va crea atributele dorite..
În adâncuri
Așa este pentru toate cadrele din carbon. Sub exteriorul strălucitor se află multe straturi de piese din fibră de carbon ale căror rigidități, rezistențe, forme, dimensiuni, poziții și orientări au fost planificate minuțios, de obicei printr-o combinație de pachete de software pentru computer și expertiza inginerilor. Acest lucru este cunoscut sub numele de programul lay-up, sau doar lay-up. Când puzzle-ul din carbon este finalizat, bicicleta trebuie să fie ușoară, receptivă, rentabilă și capabilă să suporte cele mai extreme forțe ale ciclismului.
Profesorul Dan Adams, directorul laboratorului de mecanică a compozitelor de la Universitatea din Utah din S alt Lake City, el însuși un ciclist pasionat și care a fost implicat în dezvoltarea primelor cadre de carbon Trek, spune că construirea din carbon este totul despre programul corect de aranjare. „Specifică orientarea straturilor individuale sau a straturilor de carbon/preimpregnat epoxidic, stivuite pentru a face grosimea finală a piesei”, spune el. „Unele părți ale cadrului sunt mai ușor de așezat decât altele. Tuburile sunt relativ simple, dar joncțiunile dintre ele sunt unele dintre cele mai complexe straturi pe care le veți vedea în piesele de producție din orice industrie care utilizează carbon din punct de vedere structural, inclusiv aerospațial și auto.”
Natura anizotropă a carbonului face de asemenea crucială alegerea carbonului potrivit. În cel mai simplu mod, există două moduri prin care este furnizat carbonul. Unidirecțional (UD) are toate fibrele de carbon care rulează într-o direcție, paralele una cu ceal altă. Alternativa la UD este o țesătură sau „pânză”. Are fibre care rulează în două direcții, mergând una sub alta și peste altele în unghi drept pentru a da aspectul clasic al fibrei de carbon. În cea mai simplă țesătură, cunoscută sub numele de țesătură simplă, fibrele se dantelă sub și peste la fiecare încrucișare (numită „1/1”) pentru a produce un model asemănător grilei. Există multe alte modele posibile de țesătură. Twill (2/2) este puțin mai liber, așa că este mai ușor de drapat și ușor de recunoscut după modelul său diagonal, care arată ca niște chevroni.
Modulul (o măsură a elasticității) fibrei este, de asemenea, fundamental pentru o anumită întindere. Modulus definește cât de rigidă este o fibră. O fibră cu modul standard, evaluată la 265 gigapascali (GPa) este mai puțin rigidă decât o fibră cu modul intermediar evaluată la 320 GPa. Este necesar mai puțin carbon cu modul mai mare pentru a face componente de aceeași rigiditate, ceea ce are ca rezultat un produs mai ușor. Prin urmare, fibrele cu modul mai mare ar putea părea a fi alegerea preferată, dar există o captură. Se poate face o analogie cu o bandă de cauciuc față de o bucată de spaghete. Banda de cauciuc este foarte elastica (are un modul scazut) si poate fi flexata cu o forta aplicata foarte mica dar nu se va rupe, plus ca va reveni la forma initiala dupa indoire. Spaghetele, pe de altă parte, sunt foarte rigide (modul mare), așa că vor rezista la deformare până la un punct și apoi se vor rupe pur și simplu. Departamentele de marketing se laudă adesea cu includerea unui anumit modul de fibre în cel mai recent design al cadrului, dar în cele mai multe cazuri, un cadru de bicicletă este un echilibru atent al mai multor tipuri de module în cadrul lay-up pentru a oferi o combinație dorită de rigiditate, durabilitate și flexibilitate..
Mai este o variabilă de luat în considerare. O singură șuviță de fibră de carbon este extrem de subțire – mult mai subțire decât un păr uman, așa că sunt strânse împreună pentru a forma ceea ce se numește „câul”. Pentru biciclete, un cârlig poate conține între 1.000 și 12.000 de fire, deși 3.000 (scris ca 3K) este cel mai frecvent.
Fibră asta, fibre care
Acestea sunt elementele de bază, dar crearea unui lay-up devine complicată. „Din punct de vedere al rezistenței și rigidității pure, compozitul ideal ar avea cea mai mare proporție posibilă de fibră față de rășină și cea mai mică îndoire a fibrei”, spune Dr. Peter Giddings, inginer de cercetare la Centrul Național de Compozite, Bristol, care a a lucrat cu biciclete și a concurat cu ele mulți ani. „Fibrele unidirecționale, cel puțin teoretic, sunt cea mai bună alegere pentru asta. Materialele UD au un raport rigiditate-greutate crescut în direcția fibrei. Din păcate, compozitele UD sunt mai susceptibile la deteriorare și, odată deteriorate, au mai multe șanse să se cedeze decât țesăturile.’
Pentru a construi un cadru exclusiv din straturi de carbon UD, ar crea o bicicletă care era periculos de fragilă, ca să nu mai vorbim de prohibitiv de scumpă din cauza costurilor materialelor și orelor de muncă. Prin urmare, carbonul țesut domină și este alegerea evidentă pentru orice zone în care există curbe strânse și forme complexe de îmbinare. În plus, oamenilor le place aspectul său. „Din punct de vedere estetic, materialele țesute sunt considerate a fi mai bune decât materialele unidirecționale, iar percepția publicului asupra unui compozit este o țesătură”, spune Giddings. „De fapt, mulți producători pictează [ascund, prin urmare] zone în care construcția cadrului împiedică un aspect neted și țesut.”
Ușurința de fabricare trebuie, de asemenea, luată în considerare într-un program de pregătire pentru a ține cont de costurile forței de muncă. Pentru îmbinări și forme complexe va dura mult mai mult pentru a crea stratul ideal cu fibre UD. Este un alt motiv pentru care țesăturile sunt alegerea preferată a majorității producătorilor de biciclete din carbon. „Pânza țesută este mai ușor de lucrat decât UD și necesită mai puțină abilitate pentru a o potrivi la forma dorită”, spune Giddings. „UD are tendința de a se despărți sau de a se îndoi în jurul formelor complexe. Țesăturile lejer se conformează mai ușor, iar rezistența generală a structurii este mai puțin afectată de defecte minore de fabricație.’
Producătorii sunt probabil să opteze pentru un strat cu carbon țesut în zonele cele mai complexe, cum ar fi pedalierul și joncțiunile tubului de direcție, dar încă nu este atât de simplu pe cât pare, deoarece există un alt factor de luat în considerare. „Vrei să păstrezi continuitatea orientării fibrelor nu doar în jurul joncțiunilor, ci și prin și dincolo de ele”, spune Paul Remy, inginer de biciclete la Scott Sports. „Pot exista curburi complexe la o joncțiune, cum ar fi pedalierul inferioară, așa că trebuie să vă gândiți la o modalitate de a continua orientarea fibrelor, de a transfera încărcarea peste ele.”
Aici inginerii cadru precum Remy sunt recunoscători pentru ajutorul informaticii. În trecut, singura modalitate de a ști cum diferitele modificări ale programului de aranjare ar putea afecta rezultatul final era construirea și testarea mai multor prototipuri, dar acum un program de aranjare poate fi testat cu un grad foarte în alt de precizie de către computere înainte de un un singur fir de fibră a atins într-o matriță cadru.
„Înainte era foarte greu de știut ce efect avea asupra performanței cadrului schimbarea unei singure părți a stratului”, spune Remy.
Bob Parlee, fondatorul Parlee Cycles din Massachusetts, își amintește de acele vremuri vechi înainte ca computerele să facă toate cifrele cu drag: „Dacă înțelegi încărcăturile pe o structură de ferme, cum ar fi un cadru, aranjarea este simplă., așa că inițial le-am putut rezolva singur în capul meu.” De atunci, Parlee a recunoscut că analiza pe computer cu elemente finite (FEA) își are locul. „Inițial nu puneam găuri în tuburile de cadru [pentru punctele de intrare a cablurilor sau suporturile pentru cuști pentru sticle], deoarece erau potențiale puncte slabe, dar acum FEA ne spune ce să facem pentru a consolida acea gaură”, spune el.
Creșterea puterii de calcul împreună cu software-ul din ce în ce mai sofisticat le permite inginerilor să analizeze multe modele virtuale într-un timp scurt și să depășească limitele designului și materialelor. Potrivit inginerului de proiectare specializat Chris Meertens, „Iterația este numele jocului. Instrumentele FEA creează un model reprezentativ al cadrului, iar scopul este de a lua în considerare fiecare fibră. Software-ul îmi permite să proiectez fiecare strat, pe baza unui model de optimizare pentru cele 17 cazuri de încărcare pe care le avem pentru un cadru model.’
Ceea ce înseamnă că software-ul îi indică lui Meertens cât de mult carbon ar trebui să fie în fiecare zonă a cadrului și orientarea optimă pentru fibre. Abilitatea, totuși, constă în a ști ce este și ce nu este posibil cu stratul de carbon. Uneori computerul scuipă idealuri care sunt departe de a fi ideale. „De cele mai multe ori mă uit la asta și spun: „Nu putem face asta”, spune Meertens. „Așa că mă ocup de software-ul de draperii laminate pentru a tăia straturi virtuale și a le drape pe un dorn virtual, bazându-mă pe fezabilitatea producției și pe optimizările laminatului.”
Chiar și folosind software-ul de calculator, acest lucru poate dura câteva zile pentru a descifra și mai este mult de parcurs până la definirea în sfârșit a aranjamentului. Un aspect în care elementul uman este esențial este acela de a vă asigura că calitatea potrivită de fibre este utilizată la locul potrivit. Meertens spune: „Fibra 0° este foarte rigidă, dar nu are o rezistență bună la impact, așa că, pentru a păstra toleranța la deteriorarea compozitului, trebuie să evităm să punem prea mult în locuri precum fundul unui tub oblic. În această etapă voi ști ce forme de straturi am nevoie, dar acum vreau să știu câte din fiecare strat. Așa că rulez un alt program de optimizare care îmi spune cât de groase ar trebui să le fac – în esență numărul de straturi. Va analiza oriunde de la 30 la 50 de combinații de straturi. Vom parcurge ciclul de drapaj virtual și optimizare de patru sau cinci ori, reglând straturile un pic mai mult de fiecare dată. Dar la un moment dat trebuie să apăsăm „Go” și să-l trimitem.’
Ghid definitiv
Programul de aranjare este ca o hartă 3D, care detaliază fiecare bucată de carbon în formă din fiecare strat. „Cadru este împărțit în nouă zone: două suporturi de scaun, două suporturi de lanț, pedalier, scaun, partea superioară, cap și tuburi oblice”, spune Meertens.„Precizăm data, care este o axă, pentru fiecare zonă. Orientarea fiecărei bucăți de carbon dintr-o zonă este apoi legată de acea dată. Un tub oblic poate avea straturi la 45°, 30° și 0° față de data locală. În general, materialul cu rezistență mai mare este utilizat în afara axei, în unghi. Materialul cu modul mai mare îl folosim axial, la 0°.’
Fișierul rezultat poate avea o dimensiune de până la 100 Mb și, în cele din urmă, este trecut la nivelul fabricii. Fiecare muncitor din fabrică primește doar porțiunea relevantă pentru partea din cadrul pe care este responsabil să o creeze. Aceasta nu este încă producția finală. Cadrul construit este un prototip în această etapă și trebuie testat pentru a se asigura că stratul proiectat digital are ca rezultat un cadru care funcționează în practică. Ultrasunetele, inspecția cu raze X și disecția fizică relevă grosimile laminatului. În altă parte, matricea de rășină va fi arsă pentru a expune calitatea laminării și dacă materialul sau fibrele au migrat. Testele de îndoire ar trebui să arate aceleași rezultate ca și analiza FEA. În cele din urmă, totuși, este un om care o ia pe drum.
„Condusul pe bicicletă este singurul mod în care putem să o cuantificăm cu adevărat”, spune Bob Parlee. „Putem face testele de îndoire și de încărcare, dar trebuie să ieșim și să-l călărim pentru a vedea dacă funcționează așa cum ne dorim.” Când modelul trece cu succes, producția primește în sfârșit undă verde.
Cea mai mare parte a producției de biciclete are loc în Orientul Îndepărtat, iar acest lucru acordă o importanță și mai mare programului de pregătire. Planul fin detaliat, dacă este urmat la literă, ar trebui să asigure că produsele care ies din acele fabrici mari sunt gemene identice cu cele testate și trecute la etapa finală a prototipului. Desigur, majoritatea mărcilor testează și testează din nou cadrele de producție pentru a asigura consecvența, astfel încât bicicletele care ajung în magazine să răspundă așteptărilor clienților. În cele mai multe cazuri, producătorii pot urmări, de asemenea, întreaga călătorie a unui cadru, chiar înapoi la originile primelor fire de fibre. Ceea ce este ceva la care să te gândești data viitoare când vei sta și îți admiri mândria și bucuria.
