Producenter elsker at prale af kulfiber-lay-up, så Cyclist besluttede at undersøge, hvad det betyder, og hvordan det påvirker ydeevnen
En cykel, det siger sig selv, er den bedste julegave nogensinde, men med undtagelse af en hvalp er den også den sværeste at pakke ind. Så synd for den stakkels steldesigner, der skal vikle og drapere carbon omkring sine komplekse kurver, så stellet, når det er bagt og færdigt, giver den ønskede kørefølelse. Konstruktionen af en kulfiberramme er et komplekst 3D-puslespil, der formørker Rubik's Cube.
Det skønne ved carbon er, at i modsætning til metal kan flere stykker lægges i lag ved forskellige grader af krydsning og overlap for at give meget stram kontrol over de præstationsegenskaber og styrke, der kræves på ethvert givet punkt på en cykelramme. Ulempen er, at kulstof er anisotropt - det er stærkere i den ene retning end en anden på samme måde som træ - hvilket betyder, at styrken er afhængig af fibrenes retning. For at kulstof kan bære betydelige belastninger skal kræfterne rettes langs dets fibre, hvilket gør fiberretningen helt afgørende. Et cykelstels bestanddele oplever kræfter i flere retninger, hvilket betyder, at kulfibrene også skal løbe i flere retninger. Det er grunden til, at forskellige lag har deres fibre i forskellige vinkler, sædvanligvis 0° (på linje), +45°, -45°, +90° og -90°, og faktisk enhver vinkel valgt af designerne, hvis det vil skabe de ønskede egenskaber.
I dybet
Sådan er det for alle carbonrammer. Under det skinnende ydre er der mange lag af kulfiberstykker, hvis stivhed, styrker, former, størrelser, positioner og orienteringer er blevet møjsommeligt planlagt, norm alt af en kombination af computersoftwarepakker og ingeniørers ekspertise. Dette er kendt som lay-up tidsplanen eller bare lay-up. Når carbon stiksaven er færdig, skal cyklen være let, lydhør, omkostningseffektiv og i stand til at modstå de mest ekstreme kræfter ved cykling.
Professor Dan Adams, direktør for kompositmekaniklaboratoriet ved University of Utah i S alt Lake City, selv en ivrig cyklist og som var involveret i udviklingen af Treks første carbonrammer, siger, at det at konstruere alt fra carbon er alt om den korrekte oplægningsplan. "Det specificerer orienteringen af individuelle lag eller lag af carbon/epoxy prepreg, stablet op for at gøre den endelige del tykkelse," siger han. »Nogle steldele er nemmere at lægge op end andre. Rørene er relativt enkle, men samlingerne mellem dem er nogle af de mest komplekse lagoplægninger, du vil se i produktionsdele i enhver industri, der bruger kulstof strukturelt, inklusive rumfart og bilindustrien.'
Carbons anisotrope natur gør også valget af det rigtige kulstof afgørende. På det enkleste er der to måder, hvorpå kulstof tilføres. Unidirectional (UD) har alle kulfibrene, der løber i én retning, parallelt med hinanden. Alternativet til UD er et vævet stof, eller 'klud'. Den har fibre, der løber i to retninger, går under og over hinanden i rette vinkler for at give det klassiske udseende af kulfiber. I det enkleste stof, kendt som almindelig vævning, snøres fibrene under og over ved hver krydsning (kaldet '1/1') for at producere et gitterlignende mønster. Der er mange andre mulige vævningsmønstre. Twill (2/2) er lidt løsere, så det er nemmere at drapere og let genkendeligt på dets diagonale mønster, der ligner chevrons.
Fiberens modul (et mål for elasticitet) er også grundlæggende for en given oplægning. Modulus definerer, hvor stiv en fiber er. En standard modulus fiber, vurderet til 265 gigapascal (GPa) er mindre stiv end en mellemliggende modulus fiber vurderet til 320GPa. Der kræves mindre kulstof med højere modul for at lave komponenter med samme stivhed, hvilket resulterer i et lettere produkt. Fibre med højere modul kan derfor virke som det foretrukne valg, men der er en hage. En analogi kan laves med et gummibånd versus et stykke spaghetti. Gummibåndet er meget elastisk (har et lavt modul) og kan bøjes med meget lidt kraft, men vil ikke knække, plus det vil vende tilbage til sin oprindelige form efter bøjning. Spaghettien, på den anden side, er meget stiv (højt modul), så den vil modstå deformation til et punkt, og derefter gå i stykker. Marketingafdelinger praler ofte med inklusion af et bestemt fibermodul i det nyeste steldesign, men i de fleste tilfælde er en cykelramme en omhyggelig balance mellem flere typer modul inden for lay-up'et for at levere en ønskelig kombination af stivhed, holdbarhed og flex.
Der er en variabel mere at overveje. En enkelt tråd af kulfiber er ekstremt tynd - langt tyndere end et menneskehår, så de er bundtet sammen for at danne det, der kaldes et 'slæb'. For cykler kan et træk indeholde alt mellem 1.000 og 12.000 tråde, selvom 3.000 (skrevet som 3K) er mest almindeligt.
Fiber dette, fiber der
Det er det grundlæggende, men det bliver kompliceret at skabe et lay-up. "Fra et ren styrke- og stivhedssynspunkt ville den ideelle komposit have den højest mulige andel af fiber til harpiks og den mindste bøjning i fiberen," siger Dr. Peter Giddings, en forskningsingeniør ved National Composites Centre, Bristol, som har arbejdet med cykler og kørte dem i mange år. »Ensrettede fibre, i det mindste teoretisk, er det bedste valg til dette. UD-materialer har et øget forhold mellem stivhed og vægt i fiberretningen. Desværre er UD-kompositter mere modtagelige for beskadigelse, og når de først er beskadiget, er de mere tilbøjelige til at svigte end vævede stoffer.'
At bygge et stel udelukkende af UD-carbonlag ville skabe en cykel, der var farligt skør, for ikke at nævne uoverkommeligt dyr på grund af materiale- og mandetimersomkostninger. Derfor dominerer vævet carbon og er det oplagte valg til alle områder, hvor der er snævre kurver og komplekse fugeformer. Hvad mere er, folk kan lide dets udseende. "Æstetisk anses vævede materialer for at se bedre ud end ensrettede materialer, og offentlighedens opfattelse af en komposit er et vævet stof," siger Giddings. 'Faktisk maler mange producenter [derfor skjuler] områder, hvor rammekonstruktionen forhindrer et glat, vævet udseende.'
Nem fabrikation skal også indregnes i en oplægningsplan for at tage højde for lønomkostninger. For komplekse samlinger og former vil det tage meget længere tid at skabe den ideelle lay-up med UD-fibre. Det er en anden grund til, at vævede stoffer er det foretrukne valg af de fleste carboncykelproducenter. "Vævet stof er lettere at arbejde med end UD og kræver mindre færdigheder for at tilpasse det til en påkrævet form," siger Giddings. »UD har en tendens til at splitte eller knække omkring komplekse former. Løstvævede stoffer tilpasser sig lettere, og strukturens samlede styrke påvirkes mindre af mindre fabrikationsfejl.’
Producenter vil sandsynligvis vælge et lay-up med vævet carbon på de mest komplekse områder, såsom bundbeslaget og hovedrørsforbindelserne, men det er stadig ikke så enkelt, som det lyder, fordi der er en anden faktor at overveje. "Du ønsker at bevare kontinuiteten i fiberorienteringen ikke kun omkring kryds, men gennem og ud over dem," siger Paul Remy, en cykelingeniør hos Scott Sports. 'Der kan være komplekse krumninger ved et kryds, såsom bundbeslaget, så du skal tænke på en måde at fortsætte fibrenes orientering på, for at overføre belastningen gennem dem.'
Det er her, rammeingeniører som Remy er taknemmelige for hjælpen fra datalogi. Tidligere var den eneste måde at vide, hvordan de forskellige ændringer af oplægningsplanen kunne påvirke slutresultatet, at bygge og teste flere prototyper, men nu kan en oplægningsplan testes med en meget høj grad af nøjagtighed af computere før en enkelt fibertråd er rørt ned i en rammeform.
‘Tidligere var det virkelig svært at vide, hvilken effekt det ville have på rammens ydeevne, hvis man ændrede kun én del af lay-up’et, siger Remy.
Bob Parlee, grundlægger af Massachusetts-baserede Parlee Cycles, husker de gamle dage, før computere knasede temmelig godt: 'Hvis du forstår belastningen på en truss-struktur såsom en ramme, er lay-ups ligetil, så i starten kunne jeg selv regne dem ud i mit hoved.« Parlee har siden indrømmet, at computer finite element analysis (FEA) har sin plads. "Oprindeligt ville jeg ikke sætte huller i rammerør [til kabelindgangspunkter eller flaskeholdere], fordi de var potentielle svage steder, men nu fortæller FEA os, hvad vi skal gøre for at forstærke det hul," siger han.
Øget computerkraft sammen med stadig mere sofistikeret software giver ingeniører mulighed for at analysere mange virtuelle modeller på kort tid og flytte grænserne for design og materialer. Ifølge Specialized designingeniør Chris Meertens, 'Iteration er navnet på spillet. FEA-værktøjer skaber en repræsentativ model af rammen, og målet er at få taget højde for hver fiber. Softwaren giver mig mulighed for at designe hvert lag baseret på en optimeringsmodel for de 17 belastningstilfælde, som vi har til en modelramme.’
Det betyder, at softwaren instruerer Meertens, hvor meget kulstof der skal være i hvert område af rammen, og den optimale orientering af fibrene. Færdigheden er dog i at vide, hvad der er og ikke er muligt med carbon-lay-up. Nogle gange spytter computeren idealer ud, der er langt fra ideelle. "Det meste af tiden ser jeg på det og siger: "Der er ingen måde, vi kan gøre det," siger Meertens. 'Så så får jeg travlt med laminatdraperingssoftware til at skære virtuelle lag og drapere dem på en virtuel dorn, baseret på fremstillingsgennemførlighed og laminatoptimeringer.'
Selv ved at bruge computersoftware kan dette tage dage at dechifrere, og der er stadig lang vej igen, før oplægget er endeligt defineret. Et aspekt, hvor det menneskelige element er afgørende, er at sikre, at den rigtige fiberkvalitet bliver brugt på det rigtige sted. Meertens siger, '0° fiber er meget stiv, men har ikke god slagstyrke, så for at holde kompositskader tolerant, skal vi undgå at lægge for meget på steder som bunden af et nedrør. Jeg ved på dette tidspunkt, hvilke lagformer jeg har brug for, men nu vil jeg gerne vide, hvor mange af hvert lag. Så jeg kører et andet optimeringsprogram, der fortæller mig, hvor tykke jeg skal lave dem – i det væsentlige antallet af lag. Det vil analysere alt fra 30 til 50 kombinationer af lag. Vi vil gennemgå cyklussen med virtuel drapering og optimering fire eller fem gange, og finjustere lagene lidt mere hver gang. Men på et tidspunkt er vi nødt til at trykke på "Go" og sende den afsted.'
Definitiv guide
Oplægningsplanen er som et 3D-kort, der beskriver hvert stykke formet kulstof i hvert lag. "Rammen er opdelt i ni zoner: to sædestag, to kædestag, bundbeslag, sæde, top, hoved og nedrør," siger Meertens.»Vi specificerer datumet, som er en akse, for hver zone. Orienteringen af hvert stykke kulstof i en zone er derefter relateret til dette datum. Et nedrør kan have lag ved 45°, 30° og 0° i forhold til det lokale datum. Generelt bruges materialet med højere styrke uden for aksen, i en vinkel. Materialet med højere modul bruger vi aksi alt, ved 0°.’
Den resulterende fil kan være op til 100 Mb i størrelse og sendes til sidst til fabriksgulvet. Hver arbejder på fabrikken modtager kun den del, der er relevant for den del af rammen, de er ansvarlige for at skabe. Dette er stadig ikke det endelige produktionsforløb. Den byggede ramme er en prototype på dette stadium, og den skal testes for at sikre, at den digit alt designede oplægning resulterer i en ramme, der fungerer i praksis. Ultralyd, røntgeninspektion og fysisk dissektion afslører laminattykkelser. Andre steder vil harpiksmatricen blive brændt væk for at afsløre kvaliteten af lamineringen, og om materiale eller fibre er migreret. Bøjningstest skal vise de samme resultater som FEA-analysen. I sidste ende er det dog et menneske, der tager det med ud på vejen.
'At køre på cyklen er den eneste måde, vi virkelig kan kvantificere det på,' siger Bob Parlee. 'Vi kan lave bøjnings- og belastningstestene, men vi skal ud og køre på den for at se, om den fungerer, som vi vil.' Når modellen består mønstringen, får produktionen endelig grønt lys.
Det meste af cykelproduktionen foregår i Fjernøsten, og dette lægger endnu større vægt på opstillingsplanen. Den fint detaljerede plan, hvis den følges til punkt og prikke, skulle sikre, at de produkter, der kommer ud af de store fabrikker, er identiske tvillinger af dem, der blev testet og bestået på det sidste prototypestadium. Selvfølgelig tester og gentester de fleste mærker løbende produktionsrammer for at sikre ensartethed, så cykler, der når frem til butikkerne, lever op til kundernes forventninger. I de fleste tilfælde kan producenter også spore en rammes hele rejse, helt tilbage til oprindelsen af de allerførste fibertråde. Hvilket er noget at tænke over næste gang du står og beundrer din stolthed og glæde.
