Výrobcovia sa radi chvália ukladaním uhlíkových vlákien, a tak sa Cyclist rozhodol preskúmať, čo to znamená a ako to ovplyvňuje výkon
Bicykel, to je samozrejmé, je najlepším vianočným darčekom, ale možno s výnimkou šteniatka je to aj najťažšie zabaliť. Škoda chudáka konštruktéra rámu, ktorý musí okolo svojich zložitých kriviek obaliť karbón tak, že po upečení a dokončení rám poskytuje požadovaný pocit z jazdy. Konštrukcia rámu z uhlíkových vlákien je komplexné 3D puzzle, ktoré zatieni Rubikovu kocku.
Krása karbónu spočíva v tom, že na rozdiel od kovu je možné navrstviť viacero kusov v rôznych stupňoch priesečníka a prekrytia, aby sa poskytla veľmi tesná kontrola nad výkonnostnými vlastnosťami a pevnosťou vyžadovanou v akomkoľvek danom bode rámu bicykla. Nevýhodou je, že uhlík je anizotropný – je silnejší v jednom smere ako v druhom podobne ako drevo – čo znamená, že pevnosť závisí od smeru vlákien. Aby uhlík uniesol značné zaťaženie, sily musia smerovať pozdĺž jeho vlákien, čo robí smer vlákna absolútne rozhodujúcim. Jednotlivé časti rámu bicykla sú vystavené silám v niekoľkých smeroch, čo znamená, že uhlíkové vlákna musia prebiehať v niekoľkých smeroch. To je dôvod, prečo majú rôzne vrstvy svoje vlákna pod rôznymi uhlami, bežne 0° (v rade), +45°, -45°, +90° a -90° a skutočne akýkoľvek uhol zvolený dizajnérmi, ak to vytvorí požadované vlastnosti..
V hlbinách
Tak je to so všetkými karbónovými rámami. Pod lesklým exteriérom je veľa vrstiev kusov uhlíkových vlákien, ktorých tuhosť, pevnosť, tvary, veľkosti, polohy a orientácie boli starostlivo naplánované, zvyčajne kombináciou počítačových softvérových balíkov a odborných znalostí inžinierov. Toto je známe ako rozvrhnutie alebo len rozvrhnutie. Po dokončení karbónovej skladačky musí byť bicykel ľahký, citlivý, nákladovo efektívny a schopný vydržať tie najextrémnejšie sily cyklistiky.
Profesor Dan Adams, riaditeľ laboratória pre mechaniku kompozitov na Univerzite v Utahu v S alt Lake City, sám vášnivý cyklista a ktorý sa podieľal na vývoji prvých karbónových rámov Trek, hovorí, že postaviť čokoľvek z karbónu je všetko o správnom rozvrhu rozloženia. „Špecifikuje orientáciu jednotlivých vrstiev alebo vrstiev uhlíkovo/epoxidového predimpregnovaného laminátu, naskladaných tak, aby sa dosiahla konečná hrúbka dielu,“hovorí. „Niektoré časti rámu sa kladú ľahšie ako iné. Rúry sú relatívne jednoduché, ale spoje medzi nimi sú jedny z najzložitejších vrstiev, ktoré uvidíte vo výrobných dieloch v akomkoľvek odvetví, ktoré štrukturálne používa uhlík, vrátane letectva a automobilového priemyslu.‘
Vzhľadom na anizotropný charakter uhlíka je výber správneho uhlíka rozhodujúci. Najjednoduchšie sú dva spôsoby dodávania uhlíka. Jednosmerný (UD) má všetky uhlíkové vlákna prebiehajúce v jednom smere, navzájom paralelne. Alternatívou k UD je tkaná látka alebo „látka“. Má vlákna, ktoré prebiehajú v dvoch smeroch, idú pod a cez seba v pravom uhle, aby vytvorili klasický vzhľad uhlíkových vlákien. V najjednoduchšej tkanine, známej ako plátnová väzba, sa vlákna šnurujú pod a cez každé kríženie (nazývané „1/1“), aby vytvorili mriežkový vzor. Existuje mnoho ďalších možných vzorov tkania. Kepr (2/2) je o niečo voľnejší, takže sa ľahšie zahaľuje a ľahko ho spoznáte podľa diagonálneho vzoru, ktorý vyzerá ako šípky.
Modul (miera elasticity) vlákna je tiež základný pre dané usporiadanie. Modul definuje, aké tuhé je vlákno. Vlákno so štandardným modulom s hodnotou 265 gigapascalov (GPa) je menej tuhé ako vlákno so stredným modulom s hodnotou 320 GPa. Na výrobu komponentov s rovnakou tuhosťou je potrebné menšie množstvo uhlíka s vyšším modulom, čo vedie k ľahšiemu produktu. Vlákna s vyšším modulom sa preto môžu javiť ako výhodnejšia voľba, ale má to háčik. Prirovnanie sa dá urobiť s gumičkou verzus kúskom špagiet. Gumička je veľmi elastická (má nízky modul) a dá sa ohnúť veľmi malou silou, ale nezlomí sa a navyše sa po ohnutí vráti do pôvodného tvaru. Na druhej strane sú špagety veľmi tuhé (vysoký modul), takže do bodky odolajú deformácii a potom sa jednoducho zlomia. Marketingové oddelenia sa často chvália zahrnutím určitého modulu vlákna do najnovšieho dizajnu rámu, ale vo väčšine prípadov je rám bicykla starostlivým vyvážením niekoľkých typov modulov v rámci konštrukcie, aby sa dosiahla požadovaná kombinácia tuhosti, odolnosti a ohybnosti..
Je potrebné zvážiť ešte jednu premennú. Jediný prameň uhlíkových vlákien je extrémne tenký – oveľa tenší ako ľudský vlas, takže sú zviazané dohromady a vytvárajú to, čo sa nazýva „kúdel“. V prípade bicyklov môže kúdeľ obsahovať čokoľvek medzi 1 000 a 12 000 prameňmi, hoci najbežnejšie je 3 000 (napísané ako 3K).
Toto vlákno, tamto vlákno
To sú základy, ale vytvorenie rozloženia je komplikované. „Z hľadiska čistej pevnosti a tuhosti by ideálny kompozit mal mať najvyšší možný pomer vlákna k živici a najmenší možný ohyb vlákna,“hovorí Dr Peter Giddings, výskumný inžinier z National Composite Centre, Bristol, ktorý má pracoval s bicyklami a pretekal na nich mnoho rokov. „Jednosmerné vlákna, aspoň teoreticky, sú na to najlepšou voľbou. UD materiály majú zvýšený pomer tuhosti k hmotnosti v smere vlákien. Žiaľ, kompozity UD sú náchylnejšie na poškodenie a ak sa raz poškodia, je pravdepodobnejšie, že zlyhajú ako tkané látky.‘
Postaviť rám výhradne z UD karbónových vrstiev by vytvorilo bicykel, ktorý by bol nebezpečne krehký, nehovoriac o neúmerne drahom kvôli nákladom na materiál a osobnú hodinu. Preto dominuje tkaný uhlík a je jasnou voľbou pre všetky oblasti, kde sú úzke krivky a zložité tvary kĺbov. A čo viac, ľuďom sa páči jeho vzhľad. „Esteticky sa predpokladá, že tkané materiály vyzerajú lepšie ako jednosmerné materiály a verejnosť vníma kompozit ako tkanú látku,“hovorí Giddings. „V skutočnosti mnohí výrobcovia natierajú [a preto zakrývajú] oblasti, kde konštrukcia rámu bráni hladkému, tkanému vzhľadu.“
Jednoduchosť výroby musí byť zohľadnená aj pri rozvrhnutí, aby sa zohľadnili mzdové náklady. Pri zložitých spojoch a tvaroch bude vytvorenie ideálneho položenia s vláknami UD trvať oveľa dlhšie. Je to ďalší dôvod, prečo sú tkané látky preferovanou voľbou väčšiny výrobcov uhlíkových bicyklov. „S tkanou látkou sa pracuje ľahšie ako s UD a vyžaduje si menšiu zručnosť na jej prispôsobenie do požadovaného tvaru,“hovorí Giddings. „UD má tendenciu štiepiť sa alebo krútiť okolo zložitých tvarov. Voľne tkané látky sa ľahšie prispôsobia a celková pevnosť konštrukcie je menej ovplyvnená menšími výrobnými chybami.'
Výrobcovia sa pravdepodobne rozhodnú pre usporiadanie s tkaným karbónom v najzložitejších oblastiach, ako sú spoje stredovej konzoly a hlavovej trubky, ale stále to nie je také jednoduché, ako to znie, pretože je potrebné zvážiť ďalší faktor. „Chcete zachovať kontinuitu orientácie vlákien nielen okolo križovatiek, ale aj cez ne,“hovorí Paul Remy, inžinier bicyklov v Scott Sports. „Na križovatke, ako je stredná konzola, môžu byť zložité zakrivenia, takže musíte vymyslieť spôsob, ako pokračovať v orientácii vlákien a preniesť zaťaženie cez ne.“
Práve tu sú rámoví inžinieri, ako je Remy, vďační za pomoc v oblasti informatiky. V minulosti jediný spôsob, ako zistiť, ako môžu rôzne zmeny rozvrhnutia ovplyvniť konečný výsledok, bolo postaviť a otestovať viacero prototypov, ale teraz môžu počítače s veľmi vysokou presnosťou otestovať rozvrh pred jeden prameň vlákna sa dotkol vo forme rámu.
„Predtým bolo naozaj ťažké vedieť, aký vplyv by mala na výkon rámu zmena len jednej časti rozloženia,“hovorí Remy.
Bob Parlee, zakladateľ spoločnosti Parlee Cycles so sídlom v Massachusetts, si na tie staré časy, keď počítače nerobili všetky čísla, spomína pomerne rád: „Ak rozumiete zaťaženiu nosnej konštrukcie, ako je rám, rozloženie je jednoduché., takže spočiatku som si ich mohol vypracovať sám v hlave.“Parlee odvtedy pripustil, že počítačová analýza konečných prvkov (FEA) má svoje miesto. „Pôvodne by som do rámových rúrok [pre vstupné body káblov alebo držiaky na fľaše] nedával otvory, pretože to boli potenciálne slabé miesta, ale teraz nám FEA hovorí, čo máme urobiť, aby sme túto dieru vystužili,“hovorí.
Zvyšujúci sa výpočtový výkon spolu so stále sofistikovanejším softvérom umožňuje inžinierom analyzovať mnoho virtuálnych modelov v krátkom čase a posúvať hranice dizajnu a materiálov. Podľa špecializovaného dizajnéra Chrisa Meertensa, „Iterácia je názov hry. Nástroje FEA vytvárajú reprezentatívny model rámu a cieľom je zohľadniť každé vlákno. Softvér mi umožňuje navrhnúť každú vrstvu na základe optimalizačného modelu pre 17 zaťažovacích stavov, ktoré máme pre modelový rám.‘
To znamená, že softvér inštruuje Meertens, koľko karbónu by malo byť v každej oblasti rámu a optimálnu orientáciu vlákien. Zručnosť však spočíva v poznaní toho, čo je a čo nie je možné pri ukladaní uhlíka. Niekedy počítač chrlí ideály, ktoré majú od ideálu ďaleko. „Väčšinou sa na to pozerám a hovorím: „Neexistuje spôsob, ako to urobiť,“hovorí Meertens. ‚Takže potom sa zamestnám v softvéri na zakrývanie laminátu, aby som odrezal virtuálne vrstvy a naviazal ich na virtuálny tŕň, pričom je založený na uskutočniteľnosti výroby a optimalizácii laminátu.‘
Dokonca aj pri použití počítačového softvéru to môže trvať niekoľko dní, kým sa to rozlúskne, a kým bude konečne definovaná úprava, je ešte dlhá cesta. Jedným z aspektov, kde je ľudský prvok nevyhnutný, je zabezpečiť, aby sa správna trieda vlákna použila na správnom mieste. Meertens hovorí, že „vlákno 0° je veľmi tuhé, ale nemá dobrú rázovú pevnosť, takže aby sme zachovali odolnosť kompozitu voči poškodeniu, musíme sa vyhnúť tomu, aby sme ho na miesta, ako je spodná časť spodnej trubice, nedávali príliš veľa. V tejto fáze budem vedieť, aké tvary vrstiev potrebujem, ale teraz chcem vedieť, koľko z každej vrstvy. Takže spustím ďalší optimalizačný program, ktorý mi povie, aké hrubé ich mám urobiť – v podstate počet vrstiev. Bude analyzovať kdekoľvek od 30 do 50 kombinácií vrstiev. Cyklus virtuálneho prekrývania a optimalizácie prejdeme štyrikrát alebo päťkrát, pričom jednotlivé vrstvy zakaždým doladíme o niečo viac. V určitom okamihu však musíme stlačiť „Choď“a odoslať to.‘
Konečný sprievodca
Rozvrh rozloženia je ako 3D mapa s podrobnosťami o každom kuse tvarovaného uhlíka v každej vrstve. „Rám je rozdelený do deviatich zón: dve sedlové vzpery, dve reťazové vzpery, stredová konzola, sedadlo, horná, hlavová a spodná trubka,“hovorí Meertens.„Pre každú zónu špecifikujeme nulový bod, ktorým je os. Orientácia každého kúska uhlíka v zóne potom súvisí s týmto dátumom. Spodná rúra môže mať vrstvy pod uhlom 45°, 30° a 0° vzhľadom na miestny údaj. Vo všeobecnosti sa materiál s vyššou pevnosťou používa mimo osi, pod uhlom. Materiál s vyšším modulom používame axiálne, pri 0°.’
Výsledný súbor môže mať veľkosť až 100 Mb a nakoniec sa odošle do továrne. Každý pracovník v továrni dostane iba časť zodpovedajúcu tej časti rámu, za ktorú je zodpovedný. Toto stále nie je konečná séria výroby. Postavený rám je v tejto fáze prototyp a je potrebné ho otestovať, aby sa zabezpečilo, že digitálne navrhnuté výsledky rozloženia v ráme fungujú v praxi. Ultrazvuk, röntgenová kontrola a fyzická disekcia odhalia hrúbku laminátu. Inde bude živicová matrica spálená, aby sa odhalila kvalita laminácie a či materiál alebo vlákna migrovali. Skúšky ohybom by mali vykazovať rovnaké výsledky ako analýza FEA. Nakoniec je to však človek, ktorý to vezme na cestu.
„Jazda na bicykli je jediný spôsob, ako to môžeme skutočne kvantifikovať,“hovorí Bob Parlee. ‚Môžeme urobiť ohybové a záťažové testy, ale musíme vystúpiť a prejsť, aby sme zistili, či funguje tak, ako chceme.‘Keď model prejde zhromaždením, výroba dostane konečne zelenú.
Väčšina bicyklov sa vyrába na Ďalekom východe a to kladie ešte väčší dôraz na rozvrhnutie. Jemne podrobný plán, ak sa dodrží do bodky, by mal zabezpečiť, že produkty pochádzajúce z týchto veľkých tovární sú identickými dvojčatami tých, ktoré boli testované a prešli vo fáze finálneho prototypu. Samozrejme, väčšina značiek neustále testuje a opakovane testuje výrobné rámy, aby sa zabezpečila konzistentnosť tak, aby bicykle prichádzajúce do obchodov spĺňali očakávania zákazníkov. Vo väčšine prípadov môžu výrobcovia tiež vysledovať celú cestu rámu, až po počiatky úplne prvých vlákien vlákien. Na čo by ste mali myslieť, keď budete nabudúce stáť a obdivovať svoju hrdosť a radosť.
