Gustung-gusto ng mga tagagawa na ipagmalaki ang tungkol sa carbon fiber lay up, kaya nagpasya ang Cyclist na siyasatin kung ano ang ibig sabihin nito at kung paano ito nakakaapekto sa performance
Ang bisikleta, hindi sinasabi, ang pinakamagandang regalo sa Pasko, ngunit maliban sa isang tuta, ito rin ang pinakamahirap balutin. Kaya't nakakaawa ang mahinang taga-disenyo ng frame na kailangang balutin at i-drape ang carbon sa paligid ng mga kumplikadong kurba nito upang, kapag inihurno at natapos, ang frame ay naghahatid ng nais na pakiramdam ng pagsakay. Ang pagbuo ng isang carbon fiber frame ay isang kumplikadong 3D puzzle na lumalampas sa Rubik's Cube.
Ang kagandahan ng carbon ay, hindi tulad ng metal, ang maraming piraso ay maaaring i-layer sa iba't ibang antas ng intersection at magkakapatong upang bigyan ng napakahigpit na kontrol sa mga katangian ng pagganap at lakas na kinakailangan sa anumang partikular na punto ng frame ng bike. Ang downside ay ang carbon ay anisotropic - ito ay mas malakas sa isang direksyon kaysa sa isa pa sa katulad na paraan sa kahoy - na nangangahulugang ang lakas ay nakasalalay sa direksyon ng mga hibla. Para ang carbon ay makapagdala ng makabuluhang karga, ang mga puwersa ay dapat na nakadirekta sa mga hibla nito, na ginagawang ganap na mahalaga ang direksyon ng hibla. Ang mga bahagi ng bumubuo ng frame ng bisikleta ay nakakaranas ng mga puwersa sa iba't ibang direksyon, ibig sabihin, ang mga carbon fiber ay dapat din tumakbo sa ilang direksyon. Ito ang dahilan kung bakit ang iba't ibang mga layer ay may kanilang mga hibla sa iba't ibang mga anggulo, karaniwang 0° (sa linya), +45°, -45°, +90° at -90°, at sa katunayan, anumang anggulo na pinili ng mga designer kung ito ay lilikha ng mga gustong katangian.
Sa kaibuturan
Ganyan ang lahat ng carbon frame. Sa ilalim ng makintab na panlabas ay maraming layer ng mga piraso ng carbon fiber na ang higpit, lakas, hugis, sukat, posisyon at oryentasyon ay masinsinang binalak, kadalasan sa pamamagitan ng kumbinasyon ng mga pakete ng software ng computer at kadalubhasaan ng mga inhinyero. Ito ay kilala bilang iskedyul ng lay-up, o lay-up lang. Kapag ang carbon jigsaw ay nakumpleto ang bike ay dapat na magaan, tumutugon, cost-effective at kayang tiisin ang pinaka matinding puwersa ng pagbibisikleta.
Professor Dan Adams, direktor ng composite mechanics laboratory sa University of Utah sa S alt Lake City, siya mismo ay isang masugid na siklista at kasangkot sa pagbuo ng mga unang carbon frame ng Trek, na ang paggawa ng anuman mula sa carbon ay ang lahat. tungkol sa tamang lay-up schedule. 'Ito ay tumutukoy sa oryentasyon ng mga indibidwal na plies o mga layer ng carbon/epoxy prepreg, na nakasalansan upang gawin ang kapal ng huling bahagi,' sabi niya. 'Ang ilang mga bahagi ng frame ay mas madaling ilagay kaysa sa iba. Ang mga tubo ay medyo simple ngunit ang mga junction sa pagitan ng mga ito ay ilan sa mga pinakakumplikadong ply lay-up na makikita mo sa mga bahagi ng produksyon sa anumang industriya na gumagamit ng carbon sa istruktura, kabilang ang aerospace at automotive.’
Ang likas na anisotropic ng Carbon ay ginagawa ring mahalaga ang pagpili ng tamang carbon. Sa pinakasimpleng paraan, may dalawang paraan kung paano ibinibigay ang carbon. Ang Unidirectional (UD) ay mayroong lahat ng carbon fibers na tumatakbo sa isang direksyon, parallel sa isa't isa. Ang kahalili sa UD ay isang habi na tela, o 'tela'. Mayroon itong mga hibla na tumatakbo sa dalawang direksyon, na dumadaan sa ilalim at sa ibabaw ng isa't isa sa tamang mga anggulo upang magbigay ng klasikong hitsura ng carbon fiber. Sa pinakasimpleng tela, na kilala bilang plain weave, ang mga hibla ay tinatali sa ilalim at sa ibabaw ng bawat tawiran (tinatawag na '1/1') upang makabuo ng pattern na parang grid. Mayroong maraming iba pang posibleng mga pattern ng paghabi. Ang twill (2/2) ay medyo maluwag kaya mas madaling i-drape at madaling makilala sa pamamagitan ng diagonal pattern nito, na parang mga chevron.
Ang modulus (isang sukatan ng elasticity) ng fiber ay mahalaga din sa isang ibinigay na lay-up. Tinutukoy ng modulus kung gaano katigas ang isang hibla. Ang isang karaniwang modulus fiber, na na-rate sa 265 gigapascals (GPa) ay hindi gaanong matigas kaysa sa isang intermediate modulus fiber na na-rate sa 320GPa. Mas kaunti sa mas mataas na modulus carbon ang kinakailangan upang makagawa ng mga bahagi ng parehong higpit, na nagreresulta sa isang mas magaan na produkto. Ang mas matataas na mga hibla ng modulus ay maaaring mukhang mas mainam na pagpipilian, ngunit mayroong isang catch. Ang isang pagkakatulad ay maaaring gawin gamit ang isang goma kumpara sa isang piraso ng spaghetti. Ang rubber band ay napaka-elastic (may mababang modulus) at maaaring ibaluktot na may napakakaunting puwersang inilapat ngunit hindi masisira, at babalik ito sa orihinal nitong hugis pagkatapos yumuko. Ang spaghetti, sa kabilang banda, ay napakatigas (mataas na modulus) kaya lalabanan ang pagpapapangit sa isang punto, at pagkatapos ay masira lamang. Ang mga departamento ng marketing ay madalas na ipinagmamalaki ang tungkol sa pagsasama ng isang partikular na fiber modulus sa pinakabagong disenyo ng frame, ngunit sa karamihan ng mga kaso, ang bike frame ay isang maingat na balanse ng ilang uri ng modulus sa loob ng lay-up upang makapaghatid ng kanais-nais na kumbinasyon ng higpit, tibay at flex.
May isa pang variable na dapat isaalang-alang. Ang isang hibla ng carbon fiber ay napakanipis - mas manipis kaysa sa buhok ng tao, kaya pinagsama-sama ang mga ito upang bumuo ng tinatawag na 'tow'. Para sa mga bisikleta, ang isang hila ay maaaring maglaman ng anuman sa pagitan ng 1, 000 at 12, 000 na mga hibla, bagama't 3, 000 (nakasulat bilang 3K) ang pinakakaraniwan.
Fibre this, fiber that
Iyan ang mga pangunahing kaalaman, ngunit ang paggawa ng lay-up ay nagiging kumplikado. 'Mula sa isang dalisay na lakas at paninigas na punto ng view, ang perpektong composite ay magkakaroon ng pinakamataas na proporsyon ng fiber sa resin na posible at ang pinakamababang baluktot sa fiber,' sabi ni Dr Peter Giddings, isang research engineer sa National Composites Center, Bristol, na may nagtrabaho sa mga bisikleta at sinakay ang mga ito sa loob ng maraming taon. 'Ang mga unidirectional fibers, sa teorya man lang, ay ang pinakamahusay na pagpipilian para dito. Ang mga materyales ng UD ay may tumaas na ratio ng stiffness-to-weight sa direksyon ng hibla. Sa kasamaang palad, ang mga composite ng UD ay mas madaling masira at, kapag nasira, ay mas malamang na mabigo kaysa sa mga hinabing tela.’
Para makabuo ng frame na eksklusibo mula sa UD carbon layers ay lilikha ng isang bike na mapanganib na malutong, hindi pa banggitin ang napakamahal na halaga dahil sa mga gastos sa materyal at oras ng tao. Kaya't nangingibabaw ang hinabing carbon at ito ang malinaw na pagpipilian para sa anumang mga lugar kung saan may mga masikip na kurba at kumplikadong magkasanib na mga hugis. Higit pa rito, gusto ng mga tao ang hitsura nito. 'Aesthetically, ang mga pinagtagpi na materyales ay itinuturing na mas mahusay kaysa sa unidirectional na mga materyales at ang pang-unawa ng publiko sa isang composite ay isang pinagtagpi na tela, ' sabi ni Giddings. 'Sa katunayan, maraming mga tagagawa ang nagpinta [kaya't nagtatago] ng mga lugar kung saan pinipigilan ng pagkakagawa ng frame ang makinis at hinabing hitsura.'
Kailangan ding isama ang kadalian ng paggawa sa isang iskedyul ng lay-up upang isaalang-alang ang mga gastos sa paggawa. Para sa mga kumplikadong joints at mga hugis, mas matagal bago mabuo ang perpektong lay-up na may UD fibers. Ito ay isa pang dahilan kung bakit ang mga pinagtagpi na tela ay ang ginustong pagpili ng karamihan sa mga tagagawa ng carbon bike. 'Ang hinabing tela ay mas madaling gamitin kaysa sa UD at nangangailangan ng mas kaunting kasanayan upang magkasya ito sa isang kinakailangang hugis,' sabi ni Giddings. Ang 'UD ay may posibilidad na hatiin o kink sa paligid ng mga kumplikadong hugis. Ang mga maluwag na hinabing tela ay mas madaling umayon at ang kabuuang lakas ng istraktura ay hindi gaanong apektado ng mga maliliit na depekto sa pagmamanupaktura.’
Malamang na pipiliin ng mga tagagawa ang isang lay-up na may habi na carbon sa mga pinakakumplikadong lugar, gaya ng bottom bracket at head tube junctions, ngunit hindi pa rin ito kasing simple ng inaakala dahil may isa pang salik na dapat isaalang-alang. 'Gusto mong panatilihin ang pagpapatuloy ng hibla na oryentasyon hindi lamang sa paligid ng mga junction, ngunit sa kabila at higit pa sa kanila,' sabi ni Paul Remy, isang bike engineer sa Scott Sports. ‘Maaaring magkaroon ng mga kumplikadong curvature sa isang junction gaya ng bottom bracket kaya kailangan mong mag-isip ng paraan para ipagpatuloy ang oryentasyon ng fibers, para ilipat ang loading sa kabuuan ng mga ito.’
Dito nagpapasalamat ang mga frame engineer gaya ni Remy sa tulong ng computer science. Noong nakaraan, ang tanging paraan upang malaman kung paano maaaring makaapekto ang iba't ibang mga pagbabago sa iskedyul ng lay-up sa resulta ay ang pagbuo at pagsubok ng maraming prototype, ngunit ngayon ang isang iskedyul ng lay-up ay maaaring masuri na may napakataas na antas ng katumpakan ng mga computer bago ang isang ang nag-iisang hibla ng hibla ay nakadikit sa isang frame mold.
‘Dati ay talagang mahirap malaman kung ano ang magiging epekto ng pagbabago ng isang bahagi lamang ng lay-up sa performance ng frame,’ sabi ni Remy.
Bob Parlee, tagapagtatag ng Parlee Cycles na nakabase sa Massachusetts, ay naaalala ang mga lumang araw bago ginawa ng mga computer ang lahat ng mga numero nang magiliw: 'Kung naiintindihan mo ang mga pagkarga sa isang istraktura ng truss tulad ng isang frame, ang mga lay-up ay diretso, kaya sa simula ay maaari kong ayusin ang mga ito sa aking isip.' Mula noon ay inamin ni Parlee na may lugar ang computer finite element analysis (FEA). 'Orihinal, hindi ako maglalagay ng mga butas sa mga frame tube [para sa mga cable entry point o bottle cage mounts] dahil ang mga ito ay mga potensyal na weak spot, ngunit ngayon ay sinasabi sa amin ng FEA kung ano ang gagawin upang mapalakas ang butas na iyon,' sabi niya.
Ang pagtaas ng kapangyarihan sa pag-compute kasama ng mas sopistikadong software ay nagbibigay-daan sa mga inhinyero na suriin ang maraming virtual na modelo sa maikling panahon at itulak ang mga hangganan ng disenyo at mga materyales. Ayon sa Specialized design engineer na si Chris Meertens, 'Iteration ang pangalan ng laro. Ang mga tool ng FEA ay lumikha ng isang kinatawan na modelo ng frame at ang layunin ay makuha ang bawat fiber accounted para sa. Binibigyang-daan ako ng software na idisenyo ang bawat ply, batay sa isang modelo ng pag-optimize para sa 17 load case na mayroon kami para sa isang frame ng modelo.’
Ang ibig sabihin nito ay ang software ay nagtuturo sa Meertens kung gaano karaming carbon ang dapat sa bawat bahagi ng frame, at ang pinakamainam na oryentasyon para sa mga fibers. Ang kasanayan, gayunpaman, ay sa pag-alam kung ano ang at hindi posible sa carbon lay-up. Minsan ang computer ay naglalabas ng mga ideyal na malayo sa perpekto. 'Kadalasan tinitingnan ko ito at sinasabi, "Walang paraan na magagawa natin iyon, "' sabi ni Meertens. ‘Kaya nagiging abala ako sa laminate draping software upang i-cut ang mga virtual na plies at i-drape ang mga ito sa isang virtual na mandrel, na ibinabatay ito sa pagiging posible sa pagmamanupaktura at mga pag-optimize ng laminate.’
Kahit na ang paggamit ng computer software ay maaaring tumagal ito ng mga araw upang matukoy, at mahaba pa ang lalakbayin bago tuluyang matukoy ang lay-up. Isang aspeto kung saan mahalaga ang elemento ng tao ay ang pagtiyak na ang tamang hibla na grado ay ginagamit sa tamang lugar. Sabi ni Meertens, 'Ang 0° fiber ay napakatigas ngunit walang magandang impact strength kaya, para mapanatili ang composite damage tolerant, kailangan nating iwasang maglagay ng sobra sa mga lugar tulad ng ilalim ng down tube. Malalaman ko sa yugtong ito kung anong mga hugis ng ply ang kailangan ko, ngunit ngayon gusto kong malaman kung ilan sa bawat ply. Kaya't nagpapatakbo ako ng isa pang programa sa pag-optimize na nagsasabi sa akin kung gaano kakapal ang dapat kong gawin - ang bilang ng mga layer. Ito ay susuriin kahit saan mula 30 hanggang 50 kumbinasyon ng mga plies. Tatakbo kami sa cycle ng virtual draping at pag-optimize ng apat o limang beses, mas i-fine-tune ang mga plies sa bawat pagkakataon. Ngunit sa isang punto kailangan nating pindutin ang “Go” at ipadala ito.’
Tiyak na gabay
Ang iskedyul ng lay-up ay parang 3D na mapa, na nagdedetalye ng bawat piraso ng hugis na carbon sa bawat layer. 'Ang frame ay nahahati sa siyam na zone: dalawang seatstay, dalawang chainstay, bottom bracket, upuan, itaas, ulo at pababang tubo, ' sabi ni Meertens.'Tinutukoy namin ang datum, na isang axis, para sa bawat zone. Ang oryentasyon ng bawat piraso ng carbon sa isang zone ay nauugnay sa datum na iyon. Ang isang down tube ay maaaring may mga plies sa 45°, 30° at 0° na may kaugnayan sa lokal na datum. Sa pangkalahatan, ang mas mataas na lakas ng materyal ay ginagamit off-axis, sa isang anggulo. Ang mas mataas na modulus material na ginagamit namin sa axially, sa 0°.’
Ang resultang file ay maaaring hanggang 100Mb ang laki at kalaunan ay ipapasa sa factory floor. Ang bawat manggagawa sa pabrika ay tumatanggap lamang ng bahaging may kaugnayan sa bahagi ng frame na responsable sila sa paggawa. Hindi pa ito ang final production run. Ang built frame ay isang prototype sa yugtong ito at kailangan itong masuri upang matiyak na ang digitally designed na lay-up ay nagreresulta sa isang frame na gumaganap sa pagsasanay. Ang ultratunog, inspeksyon ng X-ray at pisikal na dissection ay nagpapakita ng mga kapal ng laminate. Sa ibang lugar ang resin matrix ay susunugin upang ilantad ang kalidad ng lamination at kung ang materyal o mga hibla ay lumipat. Ang mga pagsusuri sa baluktot ay dapat magpakita ng parehong mga resulta gaya ng pagsusuri sa FEA. Gayunpaman, sa huli, isang tao ang naglalabas nito sa kalsada.
‘Ang pagbibisikleta ay ang tanging paraan upang tunay nating mabibilang ito,’ sabi ni Bob Parlee. ‘Maaari naming gawin ang mga pagsubok sa pagyuko at pag-load ngunit kailangan naming lumabas at sakyan ito upang makita kung gumaganap ito kung paano namin gusto.’ Kapag pumasa ang modelo, sa wakas ay nabigyan ng berdeng ilaw ang produksyon.
Karamihan sa paggawa ng bisikleta ay nangyayari sa Malayong Silangan, at mas pinapahalagahan nito ang iskedyul ng lay-up. Ang detalyadong plano, kung susundin sa liham, ay dapat matiyak na ang mga produktong lumalabas sa malalaking pabrika ay magkaparehong kambal ng mga nasubok at naipasa sa huling yugto ng prototype. Siyempre karamihan sa mga brand ay patuloy na sumusubok at muling sumusubok sa mga frame ng produksyon upang matiyak ang pagkakapare-pareho upang ang mga bisikleta na umaabot sa mga tindahan ay matugunan ang mga inaasahan ng customer. Sa karamihan ng mga kaso, masusubaybayan din ng mga manufacturer ang buong paglalakbay ng isang frame, pabalik sa pinanggalingan ng pinakaunang fiber strands. Alin ang dapat isipin sa susunod na nakatayo ka at hinahangaan ang iyong pagmamataas at kagalakan.
