A gyártók előszeretettel dicsekednek a szénszálas lerakással, ezért a Cyclist úgy döntött, hogy megvizsgálja, mit jelent ez, és hogyan befolyásolja a teljesítményt
A kerékpár, magától értetődően a legjobb karácsonyi ajándék, de egy kiskutya kivételével a legnehezebb becsomagolni is. Sajnálom tehát azt a szegény váztervezőt, akinek úgy kell beburkolnia és le kell terítenie a karbont az összetett ívei köré, hogy a váz megsütve és készen a kívánt menetérzetet nyújtsa. A szénszálas keret felépítése egy összetett 3D-s rejtvény, amely elhomályosítja a Rubik-kockát.
A karbon szépsége abban rejlik, hogy a fémtől eltérően több darab is rétegezhető különböző mértékű metszéspontokban és átfedésben, így nagyon szorosan szabályozható a kerékpárváz adott pontján megkövetelt teljesítmény és szilárdság. Hátránya, hogy a szén anizotróp – egyik irányban erősebb, mint a másikban, hasonlóan a fához –, ami azt jelenti, hogy a szilárdság a szálak irányától függ. Ahhoz, hogy a szén jelentős terhelést tudjon viselni, az erőket a szálai mentén kell irányítani, ami a szálak irányának döntő jelentőségűvé teszi. A kerékpárváz szerkezeti részei több irányban érnek erőt, vagyis a szénszálaknak is több irányba kell futniuk. Ezért van az, hogy a különböző rétegek szálai különböző szögben helyezkednek el, általában 0° (egyenesben), +45°, -45°, +90° és -90°, és valóban bármilyen, a tervezők által választott szögben, ha ez létrehozza a kívánt tulajdonságokat..
A mélységben
Ez minden karbon váznál így van. A csillogó külső alatt sok réteg szénszálas darab található, amelyek merevségét, erősségét, alakját, méretét, helyzetét és tájolását gondosan megtervezték, általában számítógépes szoftvercsomagok és mérnöki szakértelem kombinációjával. Ez az úgynevezett lay-up ütemterv, vagy csak a lay-up. Amikor elkészült a karbon kirakós, a kerékpárnak könnyűnek, érzékenynek, költséghatékonynak kell lennie, és el kell viselnie a kerékpározás legszélsőségesebb erőit.
Dan Adams professzor, a S alt Lake City-i Utah Egyetem kompozit mechanikai laboratóriumának igazgatója, aki maga is lelkes kerékpáros, és részt vett a Trek első karbonvázainak fejlesztésében, azt mondja, hogy szénből bármit meg lehet építeni. a helyes fektetési ütemezésről. „Meghatározza az egyes karbon/epoxi prepreg rétegek vagy rétegek tájolását, egymásra rakva, hogy a végső alkatrész vastagsága legyen” – mondja. „Egyes keretrészeket könnyebb felrakni, mint másokat. A csövek viszonylag egyszerűek, de a köztük lévő csomópontok a legbonyolultabb rétegelrendezések közé tartoznak, amelyek a gyártási alkatrészekben láthatók minden olyan iparágban, amely szerkezetileg szén-dioxidot használ, beleértve a repülőgépgyártást és az autógyártást is.’
A szén anizotróp természete a megfelelő szén kiválasztását is döntő jelentőségűvé teszi. A legegyszerűbb esetben a szénszállításnak két módja van. Az egyirányú (UD) az összes szénszálat egy irányban, egymással párhuzamosan fut. Az UD alternatívája a szőtt szövet vagy „szövet”. Két irányban futó szálakkal rendelkezik, amelyek derékszögben haladnak egymás alatt és egymás fölött, hogy a szénszál klasszikus megjelenését kölcsönözzék. A legegyszerűbb szövetben, amelyet sima szövésnek neveznek, a szálak minden kereszteződésnél alá- és átfűződnek (az úgynevezett „1/1”), hogy rácsszerű mintát hozzanak létre. Sok más lehetséges szövési minta is létezik. A twill (2/2) egy kicsit lazább, így könnyebben letakarható, és könnyen felismerhető az átlós mintájáról, amely úgy néz ki, mint a chevron.
A szál modulusa (a rugalmasság mértéke) szintén alapvető fontosságú egy adott elrendezésben. A modulus határozza meg, hogy egy szál milyen merev. A 265 gigapascal (GPa) szabványos modulusú szál kevésbé merev, mint a 320 GPa névleges modulusú szál. Kevesebb nagyobb modulusú szénre van szükség az azonos merevségű alkatrészek előállításához, ami könnyebb terméket eredményez. Ezért a magasabb modulusú szálak előnyösebb választásnak tűnhetnek, de van egy fogás. Analógiát lehet tenni egy gumiszalaggal és egy darab spagettivel. A gumiszalag nagyon rugalmas (alacsony modulusú) és nagyon kis erővel hajlítható, de nem törik el, ráadásul hajlítás után visszanyeri eredeti formáját. A spagetti viszont nagyon merev (nagy modulusú), így egy pontig ellenáll a deformációnak, majd egyszerűen eltörik. A marketing osztályok gyakran büszkélkednek azzal, hogy a legújabb vázkialakításba beépítettek egy bizonyos szálmodulust, de a legtöbb esetben a kerékpárváz többféle modulus-típus gondos egyensúlya az elrendezésen belül, hogy a merevség, a tartósság és a hajlékonyság kívánatos kombinációját biztosítsa..
Van még egy változó, amelyet figyelembe kell venni. A szénszál egyetlen szála rendkívül vékony – sokkal vékonyabb, mint az emberi hajszál, ezért össze vannak kötve, és egy úgynevezett „kócot” alkotnak. Kerékpárok esetében egy vontató 1000 és 12000 között bármit tartalmazhat, bár a leggyakoribb a 3000 (3K-ként írva).
Szablak ezt, szálat azt
Ezek az alapok, de az összeállítás létrehozása bonyolulttá válik. „Tiszta szilárdság és merevség szempontjából az ideális kompozitnak a lehető legmagasabb rost/gyanta aránya lenne, és a szál a legkevésbé hajlítana” – mondja Dr. Peter Giddings, a bristoli National Composites Centre kutatómérnöke. motorokkal dolgozott és sok éven át versenyzett velük. „Az egyirányú szálak, legalábbis elméletileg, a legjobb választás erre. Az UD anyagok szálirányban megnövelt merevség-tömeg arányúak. Sajnos az UD kompozitok érzékenyebbek a sérülésekre, és ha egyszer megsérülnek, nagyobb valószínűséggel romlanak el, mint a szövött anyagok.’
Ha kizárólag UD-karbonrétegekből építené a vázat, az veszélyesen rideg kerékpárt hozna létre, nem is beszélve az anyag- és munkaóra-költségekből adódóan megfizethetetlenül drága. Ezért a szőtt karbon dominál, és kézenfekvő választás minden olyan területen, ahol szűk ívek és összetett ízületi formák vannak. Mi több, az emberek szeretik a megjelenését. „Esztétikailag a szövött anyagokat úgy tartják, hogy jobban néznek ki, mint az egyirányú anyagokat, és a közvélemény a kompozitot szőtt szövetnek tekinti” – mondja Giddings. „Valójában sok gyártó fest [ezért elrejti] azokat a területeket, ahol a keretszerkezet megakadályozza a sima, szövött megjelenést.”
A gyártás egyszerűségét is figyelembe kell venni a lerakási ütemtervben, hogy figyelembe vegyék a munkaerőköltségeket. Összetett illesztéseknél és formáknál sokkal tovább tart az ideális elrendezés UD szálakkal. Ez egy másik ok, amiért a szőtt szöveteket részesíti előnyben a legtöbb karbon kerékpárgyártó. „A szőtt ruhával könnyebb dolgozni, mint az UD-vel, és kevesebb készségre van szükség ahhoz, hogy a kívánt formára illesszük” – mondja Giddings. „Az UD hajlamos az összetett formák körül széthasadni vagy megtörni. A laza szövésű szövetek könnyebben illeszkednek, és a szerkezet általános szilárdságát kevésbé befolyásolják a kisebb gyártási hibák.'
A gyártók valószínűleg a legbonyolultabb területeken, például az alsó tartókonzolon és a fejcső csatlakozásainál a szövött karbon elrendezést választják, de ez még mindig nem olyan egyszerű, mint amilyennek hangzik, mert egy másik tényezőt is figyelembe kell venni. „Nem csak a csomópontok körül, hanem azokon keresztül és azon túl is meg akarja őrizni a szálorientáció folytonosságát” – mondja Paul Remy, a Scott Sports kerékpármérnöke. „Bonyolult görbületek lehetnek egy csomópontnál, például az alsó konzolnál, ezért meg kell gondolnia, hogyan lehet folytatni a szálak orientációját, és át kell adni a terhelést rajtuk keresztül.”
A vázmérnökök, mint például Remy, itt hálásak a számítástechnika segítségéért. Korábban több prototípus elkészítése és tesztelése volt az egyetlen módja annak, hogy megtudjuk, hogy a különböző ütemterv-módosítások hogyan befolyásolják a végeredményt, de ma már az elrendezési ütemtervet nagyon nagy pontossággal tesztelhetik számítógépek, mielőtt egyetlen szál szál érintette a keret formáját.
„Korábban nagyon nehéz volt tudni, hogy az összeállítás egy részének megváltoztatása milyen hatással lesz a keret teljesítményére” – mondja Remy.
Bob Parlee, a massachusettsi székhelyű Parlee Cycles alapítója, meglehetősen szeretettel emlékszik vissza azokra a régi időkre, amikor a számítógépek minden számot ropogtattak: „Ha megértjük, milyen terhelések nehezednek egy rácsos szerkezetre, például egy keretre, az összerakás egyszerű., így kezdetben magam fejben tudtam kidolgozni őket.” Parlee azóta elismerte, hogy a számítógépes végeselem-elemzésnek (FEA) megvan a maga helye. „Eredetileg nem tettem volna lyukakat a keretcsövekbe [kábelbevezetési pontok vagy palackkalitkák rögzítésére], mert ezek potenciális gyenge pontok voltak, de most a FEA megmondja, mit tegyünk, hogy megerősítsük ezt a lyukat” – mondja.
A növekvő számítási teljesítmény és az egyre kifinomultabb szoftverek lehetővé teszik a mérnökök számára, hogy rövid időn belül sok virtuális modellt elemezzenek, és feszegessék a tervezés és az anyagok határait. A speciális tervezőmérnök, Chris Meertens szerint „Iteráció a játék neve. A FEA eszközök reprezentatív modellt hoznak létre a keretről, és a cél az, hogy minden szálat figyelembe vegyenek. A szoftver lehetővé teszi, hogy minden egyes réteget megtervezzek egy optimalizálási modell alapján a 17 terhelési esethez, amelyek egy modellkerethez rendelkezésre állnak.’
Ez azt jelenti, hogy a szoftver utasítja Meertenst, hogy mennyi szénnek kell lennie a keret egyes területein, és a szálak optimális tájolását. A készség azonban abban rejlik, hogy tudjuk, mi lehetséges és mi nem lehetséges szén-dioxid-elrendezéssel. Néha a számítógép olyan ideálokat köp ki, amelyek távolról sem ideálisak. „A legtöbbször ránézek, és azt mondom: „Semmiképpen nem tehetjük meg” – mondja Meertens. „Így aztán el vagyok foglalva a laminált terítőszoftverrel, hogy virtuális rétegeket vágjak, és egy virtuális tüskére terítsem őket, a gyártás megvalósíthatóságára és a laminátum optimalizálására alapozva.”
Még számítógépes szoftver használata esetén is napokig tarthat a megfejtés, és még hosszú út áll előttünk a felállás végleges meghatározásáig. Az egyik szempont, ahol az emberi elem elengedhetetlen, az, hogy a megfelelő szálminőséget a megfelelő helyen használják. Meertens szerint „a 0°-os szál nagyon merev, de nincs jó ütésállósága, ezért a kompozit sérüléstűrése érdekében kerülni kell, hogy túl sokat tegyen olyan helyekre, mint például a tollcső aljára. Ebben a szakaszban tudni fogom, hogy milyen rétegformákra van szükségem, de most szeretném tudni, hogy hány rétegre van szükségem. Ezért futtatok egy másik optimalizáló programot, amely megmondja, hogy milyen vastagra készítsem őket – lényegében a rétegek számát. 30-50 rétegkombinációt fog elemezni. Négyszer-ötször végigfutjuk a virtuális terítés és optimalizálás ciklusát, és minden alkalommal egy kicsit jobban finomítjuk a rétegeket. De valamikor meg kell nyomnunk a „Go” gombot, és el kell küldenünk.’
Végleges útmutató
A felrakási ütemterv olyan, mint egy 3D-s térkép, amely minden egyes rétegben részletezi az egyes alakú széndarabokat. „A váz kilenc zónára van felosztva: két üléstartó, két lánctartó, alsó tartó, ülés, felső, fej és alsó csövek” – mondja Meertens.„Minden zónához megadjuk a nullapontot, amely egy tengely. A zónában lévő összes széndarab orientációja ezután ehhez a dátumhoz kapcsolódik. Az alsó csőnek a helyi nullaponthoz képest 45°-os, 30°-os és 0°-os rétegei lehetnek. Általában a nagyobb szilárdságú anyagot használják a tengelyen kívül, szögben. Minél nagyobb modulusú anyagot használunk axiálisan, 0°-nál.’
A kapott fájl akár 100 Mb méretű is lehet, és végül átkerül a gyárba. A gyárban minden dolgozó csak azt a részt kapja meg, amely a keretnek az általa elkészített részéhez tartozik. Ez még mindig nem a végső gyártási sorozat. Az épített keret ebben a szakaszban prototípus, és tesztelni kell, hogy a digitálisan tervezett elrendezés a gyakorlatban is működőképes keretet eredményezzen. Az ultrahang, a röntgenvizsgálat és a fizikai disszekció feltárja a laminátum vastagságát. Máshol a gyanta mátrix elégetésre kerül, hogy kiderüljön a laminálás minősége és hogy az anyag vagy a szálak elvándoroltak-e. A hajlítási teszteknek ugyanazokat az eredményeket kell mutatniuk, mint a FEA elemzésnek. A végén azonban egy ember viszi el az úton.
„A biciklizés az egyetlen módja annak, hogy valóban számszerűsítsük” – mondja Bob Parlee. „Meg tudjuk végezni a hajlítási és terhelési teszteket, de ki kell szállnunk, és meg kell ülnünk, hogy megnézzük, úgy teljesít-e, ahogy szeretnénk.” Amikor a modell átmegy a próbán, a gyártás végre zöld utat kap.
A legtöbb kerékpárgyártás a Távol-Keleten történik, és ez még nagyobb jelentőséget tulajdonít a leállítási ütemezésnek. A finoman részletezett tervnek, ha a betűt követi, biztosítania kell, hogy az ezekből a nagy gyárakból kikerülő termékek azonosak legyenek a tesztelt és a prototípus utolsó szakaszában átesett termékekkel. Természetesen a legtöbb márka folyamatosan teszteli és újra teszteli a gyártási kereteket, hogy biztosítsa a konzisztenciát, hogy a boltokba kerülő kerékpárok megfeleljenek a vásárlók elvárásainak. A legtöbb esetben a gyártók a keret teljes útját is nyomon tudják követni, egészen a legelső szálszálak eredetéig. Amire érdemes gondolni, amikor legközelebb állva csodálja büszkeségét és örömét.
