Výrobci se rádi chlubí ukládáním uhlíkových vláken, a tak se Cyclist rozhodl prozkoumat, co to znamená a jak to ovlivňuje výkon
Kolo, je samozřejmé, je nejlepším vánočním dárkem vůbec, ale snad s výjimkou štěněte je také nejobtížnější zabalit ho. Takže škoda chudáka konstruktéra rámu, který musí své složité křivky obalit karbonem tak, že po upečení a dokončení poskytuje rám požadovaný jízdní pocit. Konstrukce rámu z uhlíkových vláken je komplexní 3D puzzle, které zastíní Rubikovu kostku.
Krása karbonu spočívá v tom, že na rozdíl od kovu lze navrstvit více kusů v různém stupni průniku a překrytí, aby bylo dosaženo velmi těsné kontroly nad výkonnostními vlastnostmi a pevností požadovanou v jakémkoli daném bodě rámu kola. Nevýhodou je, že uhlík je anizotropní – je silnější v jednom směru než v druhém podobně jako dřevo – což znamená, že pevnost závisí na směru vláken. Aby karbon přenesl značné zatížení, musí být síly směrovány podél jeho vláken, což činí směr vláken naprosto zásadní. Složky rámu jízdního kola působí silami v několika směrech, což znamená, že uhlíková vlákna musí probíhat také v několika směrech. To je důvod, proč mají různé vrstvy vlákna pod různými úhly, běžně 0° (v řadě), +45°, -45°, +90° a -90°, a skutečně libovolný úhel zvolený konstruktéry, pokud vytvoří požadované vlastnosti..
V hlubinách
Tak je to u všech karbonových rámů. Pod lesklým exteriérem je mnoho vrstev kusů uhlíkových vláken, jejichž tuhost, síla, tvary, velikosti, pozice a orientace byly pečlivě naplánovány, obvykle kombinací počítačových softwarových balíků a odborných znalostí inženýrů. Toto je známé jako rozvržení nebo jen rozvržení. Po dokončení karbonové skládačky musí být kolo lehké, citlivé, nákladově efektivní a schopné vydržet ty nejextrémnější síly cyklistiky.
Profesor Dan Adams, ředitel laboratoře mechaniky kompozitů na University of Utah v S alt Lake City, sám nadšený cyklista a který se podílel na vývoji prvních karbonových rámů Trek, říká, že postavit cokoliv z karbonu je vše. o správném rozvrhu rozložení. „Specifikuje orientaci jednotlivých vrstev nebo vrstev uhlíkového/epoxidového prepregu, naskládaných tak, aby vytvořily konečnou tloušťku součásti,“říká. „Některé části rámu se pokládají snadněji než jiné. Trubky jsou relativně jednoduché, ale spoje mezi nimi jsou jedny z nejsložitějších vrstev, které uvidíte ve výrobě dílů v jakémkoli průmyslu, který strukturálně používá uhlík, včetně letectví a automobilového průmyslu.‘.
Vzhledem k anizotropní povaze uhlíku je výběr správného uhlíku také zásadní. V nejjednodušším případě existují dva způsoby, jak je uhlík dodáván. Jednosměrný (UD) má všechna uhlíková vlákna běžící v jednom směru, vzájemně rovnoběžně. Alternativou k UD je tkaná látka neboli „tkanina“. Má vlákna, která běží ve dvou směrech, jdou pod a přes sebe v pravých úhlech a vytvářejí klasický vzhled uhlíkových vláken. V nejjednodušší látce, známé jako plátnová vazba, se vlákna šněrují pod a přes každé křížení (nazývané „1/1“) a vytvářejí mřížkovitý vzor. Existuje mnoho dalších možných vzorů vazby. Kepr (2/2) je trochu volnější, takže se snáze stahuje a snadno rozpoznatelný podle diagonálního vzoru, který vypadá jako šipky.
Modul (míra pružnosti) vlákna je také zásadní pro dané uspořádání. Modul definuje, jak tuhé je vlákno. Vlákno se standardním modulem s hodnotou 265 gigapascalů (GPa) je méně tuhé než vlákno se středním modulem s hodnotou 320 GPa. K výrobě součástí se stejnou tuhostí je potřeba méně uhlíku s vyšším modulem, což vede k lehčímu produktu. Vlákna s vyšším modulem se proto mohou zdát jako výhodnější volba, ale má to háček. Přirovnání lze udělat s gumičkou versus kouskem špagety. Gumička je velmi elastická (má nízký modul) a lze ji ohnout velmi malou silou, ale nezlomí se a navíc se po ohnutí vrátí do původního tvaru. Na druhou stranu jsou špagety velmi tuhé (vysoký modul), takže do bodu odolávají deformaci a pak se jednoduše zlomí. Marketingová oddělení se často chlubí zahrnutím určitého modulu vlákna do nejnovější konstrukce rámu, ale ve většině případů je rám kola pečlivým vyvážením několika typů modulů v uspořádání, aby poskytl žádoucí kombinaci tuhosti, odolnosti a pružnosti..
Je třeba zvážit ještě jednu proměnnou. Jediný pramen uhlíkových vláken je extrémně tenký – mnohem tenčí než lidský vlas, takže jsou spojeny dohromady a tvoří to, čemu se říká „koudel“. U jízdních kol může kabel obsahovat cokoli mezi 1 000 a 12 000 prameny, ačkoli nejběžnější je 3 000 (psáno jako 3K).
Vláknina tohle, vlákno tam
To jsou základy, ale vytvoření rozložení se komplikuje. „Z hlediska čisté pevnosti a tuhosti by měl ideální kompozit mít nejvyšší možný poměr vlákna k pryskyřici a nejmenší ohyb ve vláknu,“říká Dr. Peter Giddings, výzkumný inženýr z National Composite Centre, Bristol, který má pracoval s koly a závodil na nich po mnoho let. „Jednosměrná vlákna, alespoň teoreticky, jsou pro to nejlepší volbou. UD materiály mají zvýšený poměr tuhosti k hmotnosti ve směru vláken. Bohužel kompozity UD jsou náchylnější k poškození a jakmile se poškodí, je pravděpodobnější, že selžou než tkané látky.’
Postavit rám výhradně z UD karbonových vrstev by vytvořilo kolo, které by bylo nebezpečně křehké, nemluvě o neúměrně drahém vzhledem k nákladům na materiál a pracovní hodiny. Tkaný uhlík tedy dominuje a je jasnou volbou pro všechny oblasti, kde jsou úzké křivky a složité tvary spojů. A co víc, lidem se líbí jeho vzhled. „Esteticky se má za to, že tkané materiály vypadají lépe než jednosměrné materiály a veřejnost vnímá kompozit jako tkanou látku,“říká Giddings. ‚Ve skutečnosti mnoho výrobců natírá [a proto zakrývá] oblasti, kde konstrukce rámu brání hladkému, tkanému vzhledu.‘
Snadnost výroby musí být také zohledněna v rozvrhu, aby byly zohledněny náklady na pracovní sílu. U složitých spojů a tvarů bude vytvoření ideálního uspořádání s UD vlákny trvat mnohem déle. Je to další důvod, proč jsou tkané látky preferovanou volbou většiny výrobců karbonových kol. „S tkanou látkou se pracuje snadněji než s UD a její přizpůsobení do požadovaného tvaru vyžaduje méně dovedností,“říká Giddings. „UD má tendenci se rozdělit nebo zalomit kolem složitých tvarů. Volně tkané látky se snadněji přizpůsobí a celková pevnost struktury je méně ovlivněna drobnými výrobními vadami.'
Výrobci se pravděpodobně rozhodnou pro uspořádání s tkaným karbonem v nejsložitějších oblastech, jako je středová konzola a spoje hlavové trubky, ale stále to není tak jednoduché, jak to zní, protože je třeba vzít v úvahu další faktor. „Chcete zachovat kontinuitu orientace vláken nejen kolem křižovatek, ale i přes ně a mimo ně,“říká Paul Remy, inženýr motocyklů ve společnosti Scott Sports. ‚Na křižovatce, jako je spodní držák, mohou být složité zakřivení, takže musíte vymyslet způsob, jak pokračovat v orientaci vláken a přenést zatížení skrz ně.‘
Právě zde jsou konstruktéři rámů, jako je Remy, vděční za pomoc z informatiky. V minulosti jediným způsobem, jak zjistit, jak mohou různé změny rozvrhu rozložení ovlivnit konečný výsledek, bylo postavit a otestovat více prototypů, ale nyní lze rozvrh s velmi vysokou přesností otestovat pomocí počítačů před jeden pramen vlákna dosedl v rámové formě.
‚Dříve bylo opravdu těžké vědět, jaký vliv na výkon rámu bude mít změna jedné části rozložení,‘říká Remy.
Bob Parlee, zakladatel společnosti Parlee Cycles se sídlem v Massachusetts, vzpomíná na ty staré časy, kdy počítače skřípaly všechna čísla, docela rád: „Pokud rozumíte zatížení příhradové konstrukce, jako je rám, je rozložení jednoduché., takže jsem si je zpočátku mohl vypracovat sám v hlavě.“Parlee od té doby připustil, že počítačová analýza konečných prvků (FEA) má své místo. „Původně bych do rámových trubek nedělal otvory [pro kabely nebo držáky na láhve], protože to byla potenciální slabá místa, ale teď nám FEA říká, co dělat, abychom tuto díru vyztužili,“říká.
Zvyšující se výpočetní výkon spolu se stále propracovanějším softwarem umožňuje inženýrům analyzovat mnoho virtuálních modelů v krátkém čase a posunout hranice designu a materiálů. Podle specializovaného konstruktéra Chrise Meertense je „Iterace název hry. Nástroje FEA vytvářejí reprezentativní model rámu a cílem je zohlednit každé vlákno. Software mi umožňuje navrhnout každou vrstvu na základě optimalizačního modelu pro 17 zatěžovacích stavů, které máme pro modelový rám.’
To znamená, že software instruuje Meertens, kolik uhlíku by mělo být v každé oblasti rámu a optimální orientaci vláken. Dovednost však spočívá ve znalosti toho, co je a co není možné s ukládáním uhlíku. Někdy počítač chrlí ideály, které k ideálu mají daleko. „Většinou se na to dívám a říkám: „Neexistuje způsob, jak to udělat,“říká Meertens. ‚Takže se zaměstnávám v softwaru na roušky z laminátu, abych stříhal virtuální vrstvy a dával je na virtuální trn, přičemž to vychází z proveditelnosti výroby a optimalizace laminátu.‘
I při použití počítačového softwaru to může trvat dny, než se to rozluští, a je ještě dlouhá cesta, než bude definitivně definováno rozložení. Jedním z aspektů, kde je lidský prvek zásadní, je zajistit, aby byla na správném místě použita správná kvalita vlákna. Meertens říká: ‚0° vlákno je velmi tuhé, ale nemá dobrou rázovou houževnatost, takže abychom zachovali odolnost kompozitu proti poškození, musíme se vyvarovat toho, aby bylo příliš mnoho na místa, jako je spodní část spodní trubky. V této fázi budu vědět, jaké tvary vrstev potřebuji, ale teď chci vědět, kolik z každé vrstvy. Takže spustím další optimalizační program, který mi řekne, jak tlusté je mám udělat – v podstatě počet vrstev. Bude analyzovat kdekoli od 30 do 50 kombinací vrstev. Cyklus virtuálního zalamování a optimalizace projdeme čtyřikrát nebo pětkrát a pokaždé doladíme vrstvy o něco více. Ale v určitém okamžiku musíme stisknout „Go“a poslat to pryč.‘
Konečný průvodce
Rozvrh rozložení je jako 3D mapa s podrobnostmi o každém kusu tvarovaného uhlíku v každé vrstvě. „Rám je rozdělen do devíti zón: dvě sedlové vzpěry, dvě řetězové vzpěry, středová konzola, sedlo, horní, hlavová a spodní trubka,“říká Meertens.„Pro každou zónu určujeme počátek, což je osa. Orientace každého kousku uhlíku v zóně pak souvisí s tímto datem. Spodní trubka může mít vrstvy pod úhlem 45°, 30° a 0° vzhledem k místnímu základu. Obecně platí, že materiál s vyšší pevností se používá mimo osu, pod úhlem. Materiál s vyšším modulem používáme axiálně, při 0°.’
Výsledný soubor může mít velikost až 100 Mb a nakonec je předán do výroby. Každý pracovník v továrně obdrží pouze tu část, která se týká části rámu, za kterou je zodpovědný. Stále se nejedná o finální sérii výroby. Postavený rám je v této fázi prototypem a je třeba jej otestovat, aby se zajistilo, že digitálně navržený výsledek rozložení v rámu, který funguje v praxi. Ultrazvuk, rentgenová kontrola a fyzická disekce odhalí tloušťku laminátu. Jinde bude pryskyřičná matrice spálena, aby se odhalila kvalita laminace a zda materiál nebo vlákna migrovaly. Zkoušky ohybem by měly vykazovat stejné výsledky jako analýza FEA. Nakonec je to ale člověk, kdo to vezme na cestu.
„Jízda na kole je jediný způsob, jak to můžeme skutečně kvantifikovat,“říká Bob Parlee. ‚Můžeme udělat ohybové a zátěžové testy, ale musíme vystoupit a projet se, abychom zjistili, jestli funguje, jak chceme.‘Když model projde shromažďováním, výroba dostane konečně zelenou.
Většina výroby kol se odehrává na Dálném východě, a to klade ještě větší důraz na rozvrh výroby. Jemně podrobný plán, pokud bude dodržen do puntíku, by měl zajistit, že produkty vycházející z těchto velkých továren jsou identická dvojčata těch, které byly testovány a prošly ve fázi finálního prototypu. Většina značek samozřejmě neustále testuje a znovu testuje produkční rámy, aby byla zajištěna jejich konzistence, takže kola, která se dostanou do obchodů, splňují očekávání zákazníků. Ve většině případů mohou výrobci také vysledovat celou cestu rámu, až k počátkům úplně prvních vláken vláken. Na což byste měli myslet, až budete příště stát a obdivovat svou hrdost a radost.
