Proizvajalci se radi hvalijo z ogljikovimi vlakni, zato se je Cyclist odločil raziskati, kaj to pomeni in kako vpliva na zmogljivost
Kolo je samoumevno najboljše božično darilo vseh časov, a z izjemo kužka ga je tudi najtežje zaviti. Zato se smili ubogemu oblikovalcu okvirja, ki mora oviti in ogrniti karbon okoli svojih kompleksnih krivulj, tako da okvir, ko je pečen in končan, zagotavlja želeni občutek vožnje. Konstrukcija okvirja iz ogljikovih vlaken je kompleksna 3D uganka, ki zasenči Rubikovo kocko.
Lepota karbona je v tem, da je za razliko od kovine več kosov mogoče zložiti v plasti na različnih stopnjah presečišča in prekrivanja, kar omogoča zelo strog nadzor nad atributi zmogljivosti in trdnostjo, ki je potrebna na kateri koli točki okvirja kolesa. Slaba stran je, da je ogljik anizotropen – v eni smeri je močnejši kot v drugi na podoben način kot les – kar pomeni, da je trdnost odvisna od smeri vlaken. Da bi ogljik prenašal znatne obremenitve, morajo biti sile usmerjene vzdolž njegovih vlaken, zaradi česar je smer vlaken absolutno ključna. Sestavni deli okvirja kolesa doživljajo sile v več smereh, kar pomeni, da morajo tudi ogljikova vlakna teči v več smereh. Zato imajo različne plasti svoja vlakna pod različnimi koti, običajno 0° (v liniji), +45°, -45°, +90° in -90°, in dejansko kateri koli kot, ki ga izberejo oblikovalci, če bo ustvaril želene lastnosti.
V globinah
Tako velja za vse karbonske okvirje. Pod sijočo zunanjostjo je veliko plasti delov iz ogljikovih vlaken, katerih togost, trdnost, oblike, velikosti, položaji in usmeritve so bili skrbno načrtovani, običajno s kombinacijo računalniških programskih paketov in strokovnega znanja inženirjev. To je znano kot razpored postavitev ali samo postavitev. Ko je karbonska vbodna žaga končana, mora biti kolo lahko, odzivno, stroškovno učinkovito in sposobno prenesti najbolj ekstremne sile kolesarjenja.
Profesor Dan Adams, direktor laboratorija za mehaniko kompozitov na Univerzi Utah v S alt Lake Cityju, tudi sam navdušen kolesar in ki je sodeloval pri razvoju Trekovih prvih karbonskih okvirjev, pravi, da je izdelava karkoli iz karbona vse o pravilnem urniku polaganja. "Določa usmerjenost posameznih vložkov ali plasti karbonskega/epoksidnega preprega, zloženih tako, da dosežejo končno debelino dela," pravi. „Nekatere dele okvirja je lažje položiti kot druge. Cevi so razmeroma preproste, vendar so spoji med njimi eni najbolj zapletenih vložkov, ki jih boste videli v proizvodnih delih v kateri koli industriji, ki strukturno uporablja ogljik, vključno z vesoljsko in avtomobilsko industrijo.’
Zaradi anizotropne narave ogljika je izbira pravega ogljika ključnega pomena. Najenostavneje, obstajata dva načina za dovajanje ogljika. Pri enosmernem (UD) vsa ogljikova vlakna potekajo v eni smeri, vzporedno eno z drugim. Alternativa UD je tkana tkanina ali "krpo". Ima vlakna, ki tečejo v dveh smereh, pravokotno eno pod in nad drugim, kar daje klasičen videz ogljikovih vlaken. V najpreprostejši tkanini, znani kot navadna vezava, se vlakna prepletajo pod in čez vsako križišče (imenovano "1/1"), da ustvarijo mrežast vzorec. Obstaja veliko drugih možnih vzorcev tkanja. Keper (2/2) je nekoliko ohlapnejši, zato ga je lažje pokriti in zlahka prepoznaven po diagonalnem vzorcu, ki je videti kot ševroni.
Modul (mera elastičnosti) vlakna je prav tako temeljnega pomena za dano polaganje. Modul določa, kako trdo je vlakno. Vlakno s standardnim modulom, ocenjeno na 265 gigapaskalov (GPa), je manj togo kot vlakno z vmesnim modulom, ocenjeno na 320 GPa. Za izdelavo komponent z enako togostjo je potrebno manj ogljika z višjim modulom, zaradi česar je izdelek lažji. Vlakna z višjim modulom se zato morda zdijo boljša izbira, vendar obstaja ulov. Lahko naredimo analogijo z gumijastim trakom v primerjavi s kosom špageta. Gumijasti trak je zelo elastičen (ima nizek modul) in ga je mogoče upogniti z zelo malo sile, vendar se ne zlomi, poleg tega pa se bo po upogibanju vrnil v prvotno obliko. Po drugi strani pa so špageti zelo trdi (visokega modula), zato se do neke mere upirajo deformaciji in se nato preprosto zlomijo. Tržni oddelki se pogosto hvalijo z vključitvijo določenega modula vlaken v najnovejšo zasnovo okvirja, vendar je v večini primerov okvir kolesa skrbno uravnoteženo več vrst modulov znotraj postavitve, da se zagotovi želena kombinacija togosti, vzdržljivosti in upogiba..
Upoštevati je treba še eno spremenljivko. Posamezen pramen ogljikovih vlaken je izjemno tanek – veliko tanjši od človeškega lasu, zato so združeni v snop, tako da tvorijo tisto, kar se imenuje "predivo". Pri kolesih lahko vlečna vleka vsebuje karkoli med 1.000 in 12.000 prameni, čeprav je najpogostejši 3.000 (napisano kot 3K).
Vlaknine to, vlaknine ono
To so osnove, vendar se ustvarjanje postavitve zaplete. "Z vidika čiste trdnosti in togosti bi imel idealen kompozit največji možni delež vlaken v primerjavi s smolo in najmanjši upogib v vlaknu," pravi dr. Peter Giddings, raziskovalni inženir v Nacionalnem centru za kompozite v Bristolu, ki je delal s kolesi in z njimi dirkal več let. „Enosmerna vlakna so vsaj teoretično najboljša izbira za to. UD materiali imajo povečano razmerje med togostjo in težo v smeri vlaken. Na žalost so UD kompoziti bolj dovzetni za poškodbe in, ko so poškodovani, je večja verjetnost, da bodo pokvarili kot tkanine.’
Izdelava okvirja izključno iz karbonskih plasti UD bi ustvarila kolo, ki bi bilo nevarno krhko, da ne omenjamo pregrešno drago zaradi materiala in stroškov delovnih ur. Zato prevladuje tkani karbon in je očitna izbira za vsa področja, kjer so tesne krivulje in kompleksne oblike spojev. Še več, ljudem je všeč njegov videz. "Estetsko gledano velja, da so tkani materiali videti boljši od enosmernih materialov in javnost dojema kompozit kot tkano blago," pravi Giddings. »Pravzaprav veliko proizvajalcev pobarva [zato prikrije] področja, kjer konstrukcija okvirja preprečuje gladek, tkan videz.«
Enostavnost izdelave je treba upoštevati tudi pri načrtovanju polaganja, da se upoštevajo stroški dela. Za zapletene spoje in oblike bo trajalo veliko dlje, da se ustvari idealna postavitev z UD vlakni. To je še en razlog, zakaj so tkanine najprimernejša izbira večine proizvajalcev karbonskih koles. "S tkanim blagom je lažje delati kot z UD in zahteva manj spretnosti, da ga prilagodimo zahtevani obliki," pravi Giddings. „UD je nagnjen k cepljenju ali zvijanju okoli kompleksnih oblik. Ohlapno tkane tkanine se lažje prilagodijo in na celotno trdnost strukture manj vplivajo manjše proizvodne napake.'
Proizvajalci se bodo verjetno odločili za postavitev s tkanim karbonom na najbolj zapletenih področjih, kot so spoji spodnjega nosilca in cevi glave, vendar še vedno ni tako preprosto, kot se sliši, ker je treba upoštevati še en dejavnik. "Želite ohraniti kontinuiteto usmeritve vlaken ne samo okoli križišč, ampak skozi in zunaj njih," pravi Paul Remy, kolesarski inženir pri Scott Sports. "Na stičišču, kot je spodnji nosilec, so lahko zapletene ukrivljenosti, zato morate razmisliti o načinu, kako nadaljevati usmeritev vlaken, da prenesete obremenitev nanje."
Tu so inženirji okvirjev, kot je Remy, hvaležni za pomoč računalništva. V preteklosti je bil edini način, kako vedeti, kako lahko različne spremembe razporeda postavitev vplivajo na končni rezultat, izdelava in testiranje več prototipov, zdaj pa lahko razpored postavitev z zelo visoko stopnjo natančnosti preizkusijo računalniki, preden posamezna pramen vlaken se je dotaknila kalupa okvirja.
»Prej je bilo res težko vedeti, kakšen učinek bi imela sprememba samo enega dela postavitve na zmogljivost okvirja,« pravi Remy.
Bob Parlee, ustanovitelj podjetja Parlee Cycles s sedežem v Massachusettsu, se spominja tistih starih dni, preden so računalniki preštevali vse številke, zelo rad: "Če razumete obremenitve nosilne konstrukcije, kot je okvir, so postavitve preproste, tako da sem jih lahko na začetku sam izračunal v svoji glavi.« Parlee je od takrat priznal, da ima računalniška analiza končnih elementov (FEA) svoje mesto. "Prvotno ne bi naredil lukenj v cevi okvirja [za vstopne točke za kable ali nosilce kletk za steklenice], ker so bile potencialne šibke točke, zdaj pa nam FEA pove, kaj naj naredimo, da okrepimo to luknjo, " pravi.
Povečanje računalniške moči skupaj z vse bolj izpopolnjeno programsko opremo omogoča inženirjem analizo številnih virtualnih modelov v kratkem času in premikanje meja oblikovanja in materialov. Po besedah specializiranega oblikovalskega inženirja Chrisa Meertensa je "iteracija ime igre". Orodja FEA ustvarijo reprezentativen model okvirja, cilj pa je, da se upošteva vsako vlakno. Programska oprema mi omogoča, da oblikujem vsako plast na podlagi optimizacijskega modela za 17 primerov obremenitve, ki jih imamo za okvir modela.’
To pomeni, da programska oprema Meertensu naroči, koliko ogljika mora biti na vsakem področju okvirja in optimalno usmerjenost vlaken. Veščina pa je v tem, da vemo, kaj je in kaj ni mogoče z odlaganjem ogljika. Včasih računalnik izpljune ideale, ki so daleč od idealnih. "Večino časa ga pogledam in rečem: "Tega ne moremo narediti," pravi Meertens. "Potem se zaposlim s programsko opremo za drapiranje laminata, da režem virtualne vložke in jih drapiram na virtualni trn, pri čemer temelji na izvedljivosti proizvodnje in optimizaciji laminata."
Tudi z uporabo računalniške programske opreme lahko to dešifriranje traja nekaj dni, in še vedno je dolga pot, preden bo postavitev končno definirana. Eden od vidikov, kjer je človeški element bistvenega pomena, je zagotoviti, da se na pravem mestu uporablja prava vrsta vlaken. Meertens pravi, da so vlakna 0° zelo trda, vendar nimajo dobre udarne trdnosti, zato se moramo izogibati vstavljanju preveč na mesta, kot je dno spodnje cevi, da bi kompozit ohranil odpornost na poškodbe. Do te stopnje bom vedel, katere oblike plasti potrebujem, zdaj pa želim vedeti, koliko posameznih plasti. Zato zaženem še en program za optimizacijo, ki mi pove, kako debele naj jih naredim – v bistvu število plasti. Analiziral bo od 30 do 50 kombinacij vložkov. Štiri ali petkrat bomo opravili cikel navideznega drapiranja in optimizacije, pri čemer bomo vsakič nekoliko bolj natančno prilagodili plasti. Toda na neki točki moramo pritisniti »Pojdi« in ga poslati.'
Dokončni vodnik
Razpored postavitve je kot 3D zemljevid, ki podrobno prikazuje vsak kos oblikovanega ogljika v vsaki plasti. "Okvir je razdeljen na devet območij: dva sedeža, dva verižnika, spodnji nosilec, sedež, vrh, glavo in spodnje cevi," pravi Meertens.„Za vsako cono določimo referenčno točko, ki je os. Usmerjenost vsakega kosa ogljika v coni je nato povezana s tem podatkom. Spodnja cev ima lahko vložke pri 45°, 30° in 0° glede na lokalno referenčno točko. Na splošno se material z večjo trdnostjo uporablja zunaj osi, pod kotom. Material z višjim modulom, ki ga uporabljamo aksialno, pri 0°.’
Dobljena datoteka je lahko velika do 100 Mb in se sčasoma prenese v tovarno. Vsak delavec v tovarni prejme le tisti del, ki ustreza delu okvirja, za katerega je odgovoren. To še vedno ni končna proizvodnja. Zgrajeni okvir je na tej stopnji prototip in ga je treba preizkusiti, da se zagotovi, da digitalno oblikovana postavitev povzroči okvir, ki deluje v praksi. Ultrazvok, rentgenski pregled in fizična disekcija razkrijejo debelino laminata. Drugje bo smolna matrika sežgana, da se razkrije kakovost laminacije in ali so material ali vlakna migrirali. Upogibni testi bi morali pokazati enake rezultate kot analiza FEA. Na koncu pa je človek tisti, ki ga vzame na cesto.
'Vožnja s kolesom je edini način, da to resnično kvantificiramo,' pravi Bob Parlee. "Lahko opravimo teste upogibanja in obremenitve, vendar moramo iti ven in ga voziti, da vidimo, ali deluje tako, kot želimo." Ko model prestane preizkuse, proizvodnja končno dobi zeleno luč.
Večina proizvodnje koles poteka na Daljnem vzhodu, kar daje še večji pomen časovnemu razporedu. Natančno podroben načrt, če mu sledimo do potankosti, bi moral zagotoviti, da so izdelki, ki prihajajo iz teh velikih tovarn, enojajčni dvojčki tistih, ki so bili preizkušeni in preizkušeni v fazi končnega prototipa. Seveda večina blagovnih znamk nenehno testira in ponovno testira proizvodne okvirje, da zagotovi doslednost, tako da kolesa, ki pridejo v trgovine, izpolnjujejo pričakovanja strank. V večini primerov lahko proizvajalci tudi sledijo celotnemu potovanju okvirja, vse do izvora prvih vlaken. Na kar morate pomisliti naslednjič, ko boste stali in občudovali svoj ponos in veselje.
