Proizvođači se vole hvaliti polaganjem karbonskih vlakana, pa je Cyclist odlučio istražiti šta to znači i kako utiče na performanse
Bicikl je, samo po sebi, najbolji božićni poklon ikad, ali sa mogućim izuzetkom šteneta ga je i najteže zamotati. Dakle, šteta jadnog dizajnera okvira koji mora omotati i obložiti karbonom oko svojih složenih krivina tako da, kada je ispečen i gotov, okvir pruža željeni osjećaj vožnje. Konstrukcija okvira od karbonskih vlakana je složena 3D slagalica koja pomračuje Rubikovu kocku.
Ljepota karbona je u tome što, za razliku od metala, više komada može biti slojevito na različitim stupnjevima ukrštanja i preklapanja kako bi se dobila vrlo čvrsta kontrola nad atributima performansi i snagom koja je potrebna u bilo kojoj tački okvira bicikla. Nedostatak je što je ugljik anizotropan – jači je u jednom smjeru od drugog na sličan način kao drvo – što znači da snaga ovisi o smjeru vlakana. Da bi ugljik nosio značajna opterećenja, sile moraju biti usmjerene duž njegovih vlakana, što čini smjer vlakana apsolutno ključnim. Sastavni dijelovi okvira bicikla doživljavaju sile u nekoliko smjerova, što znači da karbonska vlakna također moraju ići u nekoliko smjerova. Zato različiti slojevi imaju svoja vlakna pod različitim uglovima, obično 0° (u liniji), +45°, -45°, +90° i -90°, i zaista bilo koji ugao koji odaberu dizajneri ako će stvoriti željene atribute.
U dubinama
Tako je za sve karbonske okvire. Ispod sjajnih eksterijera nalaze se mnogi slojevi komada od karbonskih vlakana čija su krutost, čvrstoća, oblici, veličine, položaji i orijentacije mukotrpno planirani, obično kombinacijom računalnih softverskih paketa i stručnosti inženjera. Ovo je poznato kao raspored odlaganja ili samo odlaganje. Kada je karbonska ubodna testera završena, bicikl mora biti lagan, brz, ekonomičan i sposoban da izdrži najekstremnije sile vožnje biciklom.
Profesor Dan Adams, direktor laboratorija za mehaniku kompozita na Univerzitetu Utah u S alt Lake Cityju, i sam strastveni biciklista i koji je bio uključen u razvoj Trekovih prvih karbonskih okvira, kaže da je konstruiranje bilo čega od ugljika sve o ispravnom rasporedu odlaganja. „On specificira orijentaciju pojedinačnih slojeva ili slojeva ugljičnog/epoksidnog preprega, složenih kako bi se dobila konačna debljina dijela“, kaže on. „Neke dijelove okvira je lakše postaviti nego druge. Cijevi su relativno jednostavne, ali spojevi između njih su neki od najsloženijih slojeva koje ćete vidjeti u proizvodnim dijelovima u bilo kojoj industriji koja strukturno koristi ugljik, uključujući zrakoplovstvo i automobilsku industriju.’.
Anizotropna priroda ugljika također čini odabir pravog ugljika ključnim. Najjednostavnije rečeno, postoje dva načina na koje se ugljik dovodi. Jednosmjerni (UD) ima sva karbonska vlakna koja se kreću u jednom smjeru, paralelno jedno s drugim. Alternativa UD-u je tkana tkanina ili 'tkanina'. Ima vlakna koja se kreću u dva smjera, prolazeći jedno ispod i preko drugog pod pravim uglom kako bi dali klasičan izgled karbonskih vlakana. U najjednostavnijoj tkanini, poznatoj kao plafonsko tkanje, vlakna se povezuju ispod i preko na svakom križanju (nazvanom '1/1') kako bi se dobio uzorak nalik mrežici. Postoji mnogo drugih mogućih uzoraka tkanja. Keper (2/2) je malo labaviji pa se lakše zavija i lako se prepoznaje po dijagonalnom uzorku, koji izgleda kao ševroni.
Modul (mjera elastičnosti) vlakna je također fundamentalan za datu postavu. Modul definira koliko je vlakno kruto. Standardno vlakno modula, ocijenjeno na 265 gigapaskala (GPa) je manje kruto od vlakna srednjeg modula ocijenjenog na 320 GPa. Manje ugljika većeg modula potrebno je da bi se napravile komponente iste krutosti, što rezultira lakšim proizvodom. Vlakna većeg modula stoga mogu izgledati kao poželjan izbor, ali postoji kvaka. Može se napraviti analogija sa gumenom trakom u odnosu na komad špageta. Gumica je vrlo elastična (ima nizak modul) i može se savijati uz vrlo malu primijenjenu silu, ali se neće slomiti, plus će se vratiti u prvobitni oblik nakon savijanja. Špageti su, s druge strane, vrlo kruti (visoki modul) pa će do određene mjere odoleti deformaciji, a zatim se jednostavno slomiti. Marketinški odjeli se često hvale uključivanjem određenog modula vlakana u najnoviji dizajn okvira, ali u većini slučajeva okvir bicikla je pažljiv balans nekoliko vrsta modula unutar rasporeda kako bi se pružila poželjna kombinacija krutosti, izdržljivosti i savitljivosti..
Postoji još jedna varijabla koju treba uzeti u obzir. Jedna nit karbonskih vlakana je izuzetno tanka – daleko tanja od ljudske kose, tako da su spojena zajedno da formiraju ono što se naziva 'kugla'. Za bicikle, vuča može sadržavati bilo šta između 1.000 i 12.000 niti, iako je 3.000 (zapisano kao 3K) najčešće.
Vlakno ovo, vlakno ono
To su osnove, ali kreiranje rasporeda postaje komplikovano. 'Sa stanovišta čiste čvrstoće i krutosti idealan kompozit bi imao najveći mogući udio vlakana i smole i najmanje se savijao u vlaknima', kaže dr Peter Giddings, inženjer istraživanja u Nacionalnom centru za kompozite u Bristolu, koji je radio sa biciklima i trkao se na njima dugi niz godina. 'Jednosmjerna vlakna, barem teoretski, najbolji su izbor za ovo. UD materijali imaju povećan omjer krutosti i težine u smjeru vlakana. Nažalost, UD kompoziti su podložniji oštećenjima i, kada se jednom oštete, vjerojatnije je da će propasti nego tkane tkanine.’
Izrada okvira isključivo od UD karbonskih slojeva stvorila bi bicikl koji bi bio opasno lomljiv, a da ne spominjemo pretjerano skup zbog materijala i troškova radnih sati. Otuda dominira tkani karbonski materijal i očigledan je izbor za sve oblasti u kojima postoje uske krivine i složeni oblici spojeva. Štaviše, ljudima se sviđa njegov izgled. „Estetički se smatra da tkani materijali izgledaju bolje od jednosmjernih materijala, a percepcija javnosti o kompozitu je tkana tkanina“, kaže Giddings. „Zapravo, mnogi proizvođači farbaju [dakle prikrivaju] područja na kojima konstrukcija okvira onemogućava glatki, tkani izgled.’
Lakoća izrade takođe se mora uzeti u obzir u rasporedu odlaganja kako bi se uzeli u obzir troškovi rada. Za složene spojeve i oblike biće potrebno mnogo više vremena da se stvori idealan sloj sa UD vlaknima. To je još jedan razlog zašto su tkane tkanine preferirani izbor većine proizvođača karbonskih bicikala. 'Tkana tkanina je lakša za rad nego UD i zahtijeva manje vještine da bi se uklopila u traženi oblik', kaže Giddings. „UD ima tendenciju cijepanja ili savijanja oko složenih oblika. Labavo tkane tkanine se lakše prilagođavaju i na ukupnu čvrstoću strukture manje utječu manji nedostaci u proizvodnji.’
Proizvođači će se vjerovatno odlučiti za polaganje sa tkanim karbonom na najsloženijim područjima, kao što su donji nosač i spojevi glave cijevi, ali to još uvijek nije tako jednostavno kao što zvuči jer postoji još jedan faktor koji treba uzeti u obzir. „Želite zadržati kontinuitet orijentacije vlakana ne samo oko raskrsnica, već kroz i izvan njih“, kaže Paul Remy, inženjer bicikla u Scott Sportsu. „Mogu postojati složene zakrivljenosti na spoju kao što je donji nosač, tako da morate smisliti način da nastavite orijentaciju vlakana, da prenesete opterećenje kroz njih.“.
Ovdje su inženjeri okvira kao što je Remy zahvalni na pomoći kompjuterske nauke. U prošlosti je jedini način da se sazna kako različite izmjene rasporeda rasporeda mogu utjecati na krajnji rezultat bio da se napravi i testira više prototipova, ali sada se raspored rasporeda može testirati s vrlo visokim stupnjem tačnosti od strane računara prije nego što jedna nit vlakna je dotaknula u kalupu okvira.
‘Ranije je bilo zaista teško znati kakav bi učinak promjena samo jednog dijela rasporeda imala na performanse okvira,’ kaže Remy.
Bob Parlee, osnivač Parlee Cycles sa sjedištem u Massachusettsu, prisjeća se onih starih dana prije nego što su kompjuteri prilično rado švrcali sve brojeve: 'Ako razumijete opterećenja na rešetkastu strukturu kao što je okvir, postavljanje je jednostavno, tako da sam u početku mogao sam da ih razradim u svojoj glavi.“Parlee je od tada priznao da kompjuterska analiza konačnih elemenata (FEA) ima svoje mjesto. „Prvotno ne bih stavljao rupe u cijevi okvira [za ulazne tačke za kablove ili držače kaveza za boce] jer su to bile potencijalne slabe tačke, ali sada nam FEA govori šta da učinimo da tu rupu pojačamo“, kaže on..
Povećavanje računarske snage zajedno sa sve sofisticiranijim softverom omogućava inženjerima da analiziraju mnoge virtuelne modele u kratkom vremenu i pomeraju granice dizajna i materijala. Prema specijaliziranom dizajnerskom inženjeru Chrisu Meertensu, „Iteracija je naziv igre. FEA alati stvaraju reprezentativan model okvira i cilj je da se svako vlakno uzme u obzir. Softver mi omogućava da dizajniram svaki sloj, na osnovu modela optimizacije za 17 slučajeva opterećenja koje imamo za okvir modela.’
To znači da softver daje uputstva Meertensu koliko ugljenika treba da bude u svakoj oblasti okvira i optimalnu orijentaciju za vlakna. Vještina je, međutim, u znanju šta je, a šta nije moguće sa odlaganjem ugljenika. Ponekad kompjuter ispljune ideale koji su daleko od idealnih. „Uglavnom ga pogledam i kažem: „Nema šanse da to uradimo“, kaže Meertens. „Tako sam se zaokupio softverom za drapiranje laminata da izrežem virtuelne slojeve i navučem ih na virtuelni trn, bazirajući to na izvodljivosti proizvodnje i optimizaciji laminata.“.
Čak i uz korištenje kompjuterskog softvera, ovo može potrajati danima za dešifriranje, a još je dug put do konačnog definiranja rasporeda. Jedan aspekt u kojem je ljudski element od suštinskog značaja je da se osigura da se vlakna odgovarajućeg kvaliteta koriste na pravom mjestu. Meertens kaže: „Vlakna od 0° su vrlo kruta, ali nemaju dobru otpornost na udar, tako da, kako bismo održali kompozitnu otpornost na oštećenja, moramo izbjegavati da stavljamo previše na mjesta kao što je dno donje cijevi. Do ove faze ću znati koji mi oblici slojeva trebaju, ali sada želim znati koliko svakog sloja. Zato pokrećem još jedan program za optimizaciju koji mi govori koliko debljine treba da ih napravim – u suštini broj slojeva. Analizirat će od 30 do 50 kombinacija slojeva. Proći ćemo kroz ciklus virtuelnog drapiranja i optimizacije četiri ili pet puta, fino podešavajući slojeve svaki put malo više. Ali u nekom trenutku moramo pritisnuti "Idi" i poslati ga.’
Definitivni vodič
Raspored polaganja je kao 3D mapa, sa detaljima o svakom komadu oblikovanog ugljenika u svakom sloju. „Okvir je podijeljen u devet zona: dva držača sjedala, dva lanca, donji nosač, sjedište, gornja, glava i donje cijevi“, kaže Meertens.'Mi specificiramo datum, a to je osa, za svaku zonu. Orijentacija svakog komada ugljika u zoni je tada povezana s tim datumom. Donja cijev može imati slojeve pod uglom od 45°, 30° i 0° u odnosu na lokalni datum. Generalno, materijal veće čvrstoće se koristi van ose, pod uglom. Materijal višeg modula koji koristimo aksijalno, na 0°.’
Rezultirajuća datoteka može biti veličine do 100Mb i na kraju se prosljeđuje u fabriku. Svaki radnik u fabrici dobija samo deo relevantan za deo okvira za koji je odgovoran za izradu. Ovo još uvijek nije konačna proizvodnja. Izgrađeni okvir je prototip u ovoj fazi i potrebno ga je testirati kako bi se osiguralo da digitalno dizajnirani lay-up rezultira okvirom koji radi u praksi. Ultrazvuk, rendgenski pregled i fizikalna disekcija otkrivaju debljinu laminata. Na drugim mjestima matrica smole će biti spaljena kako bi se otkrio kvalitet laminacije i da li su materijal ili vlakna migrirali. Testovi savijanja bi trebali pokazati iste rezultate kao i FEA analiza. Na kraju, ipak, čovjek ga iznese na cestu.
„Vožnja bicikla je jedini način na koji to možemo istinski kvantifikovati“, kaže Bob Parlee. „Možemo da uradimo testove savijanja i opterećenja, ali moramo da izađemo i provozamo se da vidimo da li radi kako želimo.“Kada model prođe test, proizvodnja konačno dobija zeleno svetlo.
Većina proizvodnje bicikala odvija se na Dalekom istoku, a to daje još veći značaj rasporedu odlaganja. Fino detaljan plan, ako se slijedi do kraja, trebao bi osigurati da proizvodi koji izlaze iz tih velikih tvornica budu identični blizanci onih koji su testirani i prošli u fazi završnog prototipa. Naravno, većina brendova kontinuirano testira i ponovo testira proizvodne okvire kako bi osigurala konzistentnost kako bi bicikli koji stignu u trgovine ispunili očekivanja kupaca. U većini slučajeva proizvođači također mogu pratiti cijeli put okvira, sve do porijekla prvih vlakana. O čemu treba razmisliti sljedeći put kada budete stajali i divili se svom ponosu i radosti.
