Proizvođači se vole hvaliti ugljičnim vlaknima, pa je Cyclist odlučio istražiti što to znači i kako utječe na performanse
Bicikl je, naravno, najbolji božićni poklon ikada, ali uz moguću iznimku psića, također ga je najteže zamotati. Žao mi je jadnog dizajnera okvira koji mora omotati i omotati karbon oko svojih složenih oblina tako da, kad se ispeče i završi, okvir pruža željeni osjećaj vožnje. Konstrukcija okvira od karbonskih vlakana složena je 3D slagalica koja zasjenjuje Rubikovu kocku.
Ljepota karbona je u tome što se, za razliku od metala, više dijelova može postaviti u slojeve na različitim stupnjevima presjeka i preklapanja kako bi se dala vrlo čvrsta kontrola nad atributima izvedbe i čvrstoćom koja je potrebna u bilo kojoj točki okvira bicikla. Loša strana je ta što je ugljik anizotropan – jači je u jednom smjeru nego u drugom na sličan način kao drvo – što znači da čvrstoća ovisi o smjeru vlakana. Da bi ugljik mogao nositi značajna opterećenja, sile moraju biti usmjerene duž njegovih vlakana, što smjer vlakana čini apsolutno ključnim. Sastavni dijelovi okvira bicikla doživljavaju sile u nekoliko smjerova, što znači da se karbonska vlakna također moraju kretati u nekoliko smjerova. To je razlog zašto različiti slojevi imaju svoja vlakna pod različitim kutovima, obično 0° (u liniji), +45°, -45°, +90° i -90°, i zapravo bilo koji kut koji odaberu dizajneri ako će stvoriti željene atribute.
U dubini
Tako je za sve karbonske okvire. Ispod sjajne vanjštine nalaze se mnogi slojevi dijelova od karbonskih vlakana čija su krutost, čvrstoća, oblici, veličine, položaji i usmjerenja pomno planirani, obično kombinacijom računalnih softverskih paketa i stručnosti inženjera. Ovo je poznato kao raspored čekanja ili samo raspored čekanja. Kada je karbonska ubodna pila gotova, bicikl mora biti lagan, osjetljiv, isplativ i sposoban izdržati najekstremnije sile vožnje biciklom.
Profesor Dan Adams, direktor laboratorija za mehaniku kompozita na Sveučilištu Utah u S alt Lake Cityju, i sam zaljubljenik u biciklizam i koji je bio uključen u razvoj Trekovih prvih karbonskih okvira, kaže da je konstruirati bilo što od karbona sve o ispravnom rasporedu stajanja. 'Određuje usmjerenje pojedinačnih slojeva ili slojeva karbonskog/epoksidnog preprega, naslaganih kako bi se napravila konačna debljina dijela', kaže. „Neke dijelove okvira lakše je postaviti od drugih. Cijevi su relativno jednostavne, ali spojevi između njih su neki od najsloženijih slojeva 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, postoje dva načina na koje se ugljik dovodi. Jednosmjerni (UD) ima sva karbonska vlakna koja idu u jednom smjeru, paralelna jedna s drugim. Alternativa UD-u je tkana tkanina ili 'platno'. Ima vlakna koja se protežu u dva smjera, prolaze jedno ispod i iznad drugog pod pravim kutom kako bi dala klasičan izgled karbonskih vlakana. U najjednostavnijoj tkanini, poznatoj kao ravno tkanje, vlakna se isprepletaju ispod i preko pri svakom križanju (nazivaju se "1/1") da bi se proizveo uzorak poput mreže. Postoje mnogi drugi mogući uzorci tkanja. Keper (2/2) je malo labaviji pa ga je lakše ogrnuti i lako ga je prepoznati po dijagonalnom uzorku koji izgleda kao ševroni.
Modul (mjera elastičnosti) vlakna također je temeljan za dano postavljanje. Modul definira koliko je vlakno kruto. Vlakno standardnog modula, ocijenjeno na 265 gigapaskala (GPa) manje je krut od vlakna srednjeg modula ocijenjeno na 320 GPa. Za izradu komponenti iste krutosti potrebno je manje ugljika višeg modula, što rezultira lakšim proizvodom. Vlakna većeg modula stoga se mogu činiti kao poželjniji izbor, ali postoji caka. Može se napraviti analogija s gumicom nasuprot komadu špageta. Gumica je vrlo elastična (ima nizak modul) i može se saviti uz vrlo malu primjenu sile, ali neće puknuti, a vratit će se u svoj izvorni oblik nakon savijanja. Špageti su, s druge strane, vrlo kruti (visokog modula) pa će izdržati deformaciju do točke, a zatim će se jednostavno slomiti. Marketinški odjeli često se hvale uključivanjem određenog modula vlakana u najnoviji dizajn okvira, ali u većini slučajeva okvir bicikla je pažljiva ravnoteža nekoliko vrsta modula unutar rasporeda kako bi se pružila poželjna kombinacija krutosti, izdržljivosti i fleksibilnosti.
Postoji još jedna varijabla koju treba uzeti u obzir. Pojedinačna nit ugljičnih vlakana iznimno je tanka - daleko tanja od ljudske kose, pa su skupljene zajedno u takozvanu "kuču". Za bicikle, vučna vuča može sadržavati bilo što između 1.000 i 12.000 niti, iako je 3.000 (napisano kao 3K) najčešće.
Vlakna ovo, vlakna ono
To su osnove, ali stvaranje rasporeda postaje komplicirano. 'Sa stajališta čiste čvrstoće i krutosti, idealni bi kompozit imao najveći mogući udio vlakana u odnosu na smolu i najmanje savijanje vlakana', kaže dr. Peter Giddings, istraživač u Nacionalnom centru za kompozite u Bristolu, koji je radio s biciklima i utrkivao se godinama. 'Jednosmjerna vlakna, barem teoretski, najbolji su izbor za to. UD materijali imaju povećani omjer krutosti i težine u smjeru vlakana. Nažalost, UD kompoziti su osjetljiviji na oštećenja i, nakon što se oštete, vjerojatnije je da će pokvariti nego tkanine.’
Izrada okvira isključivo od UD karbonskih slojeva stvorila bi bicikl koji je opasno krt, da ne spominjemo pretjerano skup zbog materijala i troškova radnih sati. Stoga tkani karbon dominira i očit je izbor za sva područja gdje postoje uske krivulje i složeni oblici spojeva. Štoviše, ljudima se sviđa njegov izgled. 'Smatra se da estetski tkani materijali izgledaju bolje od jednosmjernih materijala, a percepcija javnosti o kompozitu je tkana tkanina', kaže Giddings. 'Zapravo, mnogi proizvođači bojaju [dakle prikrivaju] područja gdje konstrukcija okvira onemogućuje glatki, tkani izgled.'
Lakoća izrade također se mora uzeti u obzir u rasporedu postavljanja kako bi se uzeli u obzir troškovi rada. Za složene spojeve i oblike bit će potrebno puno više vremena za stvaranje idealnog sloja s UD vlaknima. To je još jedan razlog zašto su tkane tkanine preferirani izbor većine proizvođača karbonskih bicikala. 'S tkanom tkaninom lakše je raditi nego s UD-om i zahtijeva manje vještine da se prilagodi željenom obliku', kaže Giddings. 'UD ima tendenciju cijepanja ili savijanja oko složenih oblika. Labavo tkane tkanine lakše se prilagođavaju, a na ukupnu čvrstoću strukture manje utječu manji nedostaci u proizvodnji.'
Proizvođači će se vjerojatno odlučiti za postavljanje s tkanim ugljikom na najsloženijim područjima, kao što su donji nosač i spojevi cijevi glave, 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 spojeva, već i kroz i izvan njih', kaže Paul Remy, inženjer za bicikle u Scott Sportsu. 'Može postojati složena zakrivljenost 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 za pomoć računalne znanosti. U prošlosti je jedini način da se sazna kako bi različite izmjene rasporeda stajanja mogle utjecati na krajnji rezultat bio izrada i testiranje više prototipova, ali sada se raspored stajanja može testirati s vrlo visokim stupnjem točnosti pomoću računala prije nego što jedna nit vlakana je dotaknula kalup okvira.
'Prije je bilo stvarno teško znati kakav bi učinak promjena samo jednog dijela rasporeda imala na performanse okvira,' kaže Remy.
Bob Parlee, osnivač tvrtke Parlee Cycles sa sjedištem u Massachusettsu, rado se prisjeća onih starih vremena prije nego što su računala počela prebirati sve brojeve: 'Ako razumijete opterećenja na rešetkastu konstrukciju kao što je okvir, postavljanje je jednostavno, tako da sam ih u početku mogao sam razraditi u svojoj glavi.” Parlee je od tada priznao da računalna analiza konačnih elemenata (FEA) ima svoje mjesto. 'Prvotno ne bih stavljao rupe u cijevi okvira [za ulazne točke za kabele ili nosače kaveza za boce] jer su to bile potencijalne slabe točke, ali sada nam FEA govori što da učinimo da ojačamo tu rupu,' kaže on.
Povećanje računalne snage zajedno sa sve sofisticiranijim softverom omogućuje inženjerima analizu mnogih virtualnih modela u kratkom vremenu i pomicanje granica dizajna i materijala. Prema riječima dizajnerskog inženjera Specialized Chrisa Meertensa, 'Iteracija je ime igre. FEA alati stvaraju reprezentativni model okvira, a cilj je uzeti u obzir svako vlakno. Softver mi omogućuje da dizajniram svaki sloj, na temelju optimizacijskog modela za 17 slučajeva opterećenja koje imamo za okvir modela.’
To znači da softver upućuje Meertensa koliko ugljika treba biti u svakom području okvira i optimalnu orijentaciju vlakana. Vještina je, međutim, znati što je moguće, a što nije moguće s karbonskim slojem. Ponekad računalo bljuje ideale koji su daleko od idealnih. 'Većinu vremena pogledam u to i kažem: 'Nema šanse da to možemo učiniti', kaže Meertens. 'Tada se zaposlim u softveru za drapiranje laminata kako bih izrezao virtualne slojeve i drapirao ih na virtualnom trnu, temeljeći se na izvedivosti proizvodnje i optimizaciji laminata.'
Čak i korištenjem računalnog softvera ovo može potrajati danima za dešifriranje, a još je dalek put prije nego što se raspored konačno definira. Jedan od aspekata u kojem je ljudski element bitan jest osiguravanje da se prava vrsta vlakana koristi na pravom mjestu. Meertens kaže: '0° vlakna su vrlo kruta, ali nemaju dobru otpornost na udarce pa, kako bi kompozit bio tolerantan na oštećenja, moramo izbjegavati stavljanje previše na mjesta kao što je dno donje cijevi. U ovoj fazi ću znati koji oblici slojeva mi trebaju, ali sada želim znati koliko od svakog sloja. Stoga pokrećem još jedan program za optimizaciju koji mi govori koliko ih trebam debelo napraviti – u biti broj slojeva. Analizirat će od 30 do 50 kombinacija slojeva. Proći ćemo kroz ciklus virtualnog drapiranja i optimizacije četiri ili pet puta, fino podešavajući slojeve svaki put malo više. Ali u jednom trenutku moramo stisnuti "Kreni" i poslati ga.'
Definitivni vodič
Raspored postavljanja je poput 3D karte, s detaljima o svakom komadu oblikovanog karbona u svakom sloju. „Okvir je podijeljen u devet zona: dva nosača sjedala, dva nosača lanca, donji nosač, sjedalo, vrh, glava i donje cijevi,” kaže Meertens.„Za svaku zonu određujemo datum, koji je os. Orijentacija svakog komada ugljika u zoni je tada povezana s tim podatkom. Donja cijev može imati slojeve pod kutovima od 45°, 30° i 0° u odnosu na lokalnu referentnu točku. Općenito, materijal veće čvrstoće koristi se izvan osi, pod kutom. Materijal većeg modula koristimo aksijalno, na 0°.’
Rezultirajuća datoteka može biti veličine do 100 Mb i na kraju se šalje u tvornicu. Svaki radnik u tvornici dobiva samo dio koji se odnosi na dio okvira za koji je odgovoran. Ovo još uvijek nije konačna proizvodnja. Izgrađeni okvir u ovoj je fazi prototip i potrebno ga je testirati kako bi se osiguralo da digitalno dizajnirano polaganje rezultira okvirom koji funkcionira u praksi. Ultrazvuk, rendgenski pregled i fizička disekcija otkrivaju debljinu laminata. Na drugim mjestima matrica smole će biti spaljena kako bi se otkrila kvaliteta laminacije i jesu li materijal ili vlakna migrirali. Ispitivanja savijanjem trebala bi pokazati iste rezultate kao FEA analiza. Na kraju, ipak, čovjek je taj koji to izvede na cestu.
'Vožnja bicikla jedini je način na koji to možemo doista kvantificirati,' kaže Bob Parlee. ‘Možemo napraviti testove savijanja i opterećenja, ali moramo izaći i voziti ga da vidimo hoće li raditi kako želimo.’ Kada model prođe provjeru, proizvodnja konačno dobiva zeleno svjetlo.
Većina proizvodnje bicikala odvija se na Dalekom istoku, a to daje još veću važnost rasporedu stajanja. Fino detaljan plan, ako se slijedi do slova, trebao bi osigurati da proizvodi koji izlaze iz tih velikih tvornica budu identični blizanci onih testiranih i prošlih u fazi završnog prototipa. Naravno, većina robnih marki neprestano testira i ponovno testira proizvodne okvire kako bi osigurala dosljednost kako bi bicikli koji dolaze u trgovine ispunili očekivanja kupaca. U većini slučajeva proizvođači također mogu pratiti cijelo putovanje okvira, sve do podrijetla prvih vlakana. O čemu treba razmišljati sljedeći put kada stojite i divite se svom ponosu i radosti.
