Vervaardigers spog graag met koolstofvesel-oplegging, so fietsryer het besluit om te ondersoek wat dit beteken en hoe dit werkverrigting beïnvloed
'n Fiets, dit spreek vanself, is die beste Kersgeskenk ooit, maar met die moontlike uitsondering van 'n hondjie is dit ook die moeilikste om toe te draai. So jammer die arme raamontwerper wat koolstof om sy komplekse kurwes moet draai en drapeer sodat, wanneer dit gebak en klaar is, die raam die verlangde ritgevoel lewer. Die konstruksie van 'n koolstofveselraam is 'n komplekse 3D-legkaart wat die Rubik's Cube verduister.
Die skoonheid van koolstof is dat, anders as metaal, veelvuldige stukke gelaag kan word by verskillende grade van kruising en oorvleuel om baie streng beheer te gee oor die prestasie-eienskappe en sterkte wat op enige gegewe punt van 'n fietsraam vereis word. Die nadeel is dat koolstof anisotroop is - dit is sterker in een rigting as 'n ander op 'n soortgelyke manier as hout - wat beteken sterkte is afhanklik van die rigting van die vesel. Vir koolstof om beduidende vragte te dra, moet die kragte langs sy vesels gerig word, wat veselrigting absoluut noodsaaklik maak. 'n Fietsraam se samestellende afdelings ervaar kragte in verskeie rigtings, wat beteken dat die koolstofvesels ook in verskeie rigtings moet loop. Dit is hoekom verskillende lae hul vesels teen verskillende hoeke het, gewoonlik 0° (in lyn), +45°, -45°, +90° en -90°, en inderdaad enige hoek wat deur die ontwerpers gekies word as dit die verlangde eienskappe sal skep.
In die dieptes
Dis hoe dit vir alle koolstoframe is. Onder die glansende buitekant is baie lae koolstofveselstukke waarvan die styfhede, sterktes, vorms, groottes, posisies en oriëntasies noukeurig beplan is, gewoonlik deur 'n kombinasie van rekenaarsagtewarepakkette en ingenieurs se kundigheid. Dit staan bekend as die oplegskedule, of net die oplê. Wanneer die koolstoffiguursaag voltooi is, moet die fiets lig, reageer, koste-effektief wees en in staat wees om die mees ekstreme kragte van fietsry te verduur.
Professor Dan Adams, direkteur van die saamgestelde meganika-laboratorium aan die Universiteit van Utah in S alt Lake City, self 'n kranige fietsryer en wat betrokke was by die ontwikkeling van Trek se eerste koolstoframe, sê om enigiets uit koolstof te bou is al oor die korrekte opstelskedule. "Dit spesifiseer die oriëntasie van individuele lae of lae koolstof/epoksie-prepreg, opgestapel om die finale deel dikte te maak," sê hy. 'Sommige raamonderdele is makliker om op te lê as ander. Die buise is relatief eenvoudig, maar die aansluitings tussen hulle is van die mees komplekse ply-opstellings wat jy in produksieonderdele sal sien in enige industrie wat koolstof struktureel gebruik, insluitend lugvaart en motor.’
Carbon se anisotropiese aard maak ook die keuse van die regte koolstof noodsaaklik. Op sy eenvoudigste is daar twee maniere waarop koolstof voorsien word. Eenrigting (UD) het al die koolstofvesels wat in een rigting loop, parallel aan mekaar. Die alternatief vir UD is 'n geweefde stof, of 'lap'. Dit het vesels wat in twee rigtings loop, wat reghoekig onder en oor mekaar gaan om die klassieke voorkoms van koolstofvesel te gee. In die eenvoudigste materiaal, bekend as plain weave, ryg die vesels onder en oor by elke kruising (genoem '1/1') om 'n roosteragtige patroon te produseer. Daar is baie ander moontlike weefpatrone. Keper (2/2) is 'n bietjie losser, so makliker om te drapeer en maklik herkenbaar aan sy diagonale patroon, wat soos chevrons lyk.
Die modulus ('n mate van elastisiteit) van die vesel is ook fundamenteel vir 'n gegewe opstelling. Modulus definieer hoe styf 'n vesel is. 'n Standaard modulusvesel, gegradeer teen 265 gigapascal (GPa) is minder styf as 'n intermediêre modulusvesel gegradeer teen 320GPa. Minder van 'n hoër modulus koolstof is nodig om komponente van dieselfde styfheid te maak, wat lei tot 'n ligter produk. Hoër modulus vesels kan dus na die voorkeur keuse lyk, maar daar is 'n vangplek. 'n Analogie kan gemaak word met 'n rekkie teenoor 'n stukkie spaghetti. Die rekkie is baie elasties (het 'n lae modulus) en kan gebuig word met baie min krag wat toegepas word, maar sal nie breek nie, plus dit sal na sy oorspronklike vorm terugkeer nadat dit gebuig is. Die spaghetti, aan die ander kant, is baie styf (hoë modulus) so sal vervorming tot 'n punt weerstaan, en dan eenvoudig breek. Bemarkingsdepartemente spog dikwels met die insluiting van 'n sekere veselmodulus in die nuutste raamontwerp, maar in die meeste gevalle is 'n fietsraam 'n noukeurige balans tussen verskeie tipes modulus binne die opleg om 'n gewenste kombinasie van styfheid, duursaamheid en buigsaamheid te lewer.
Daar is nog een veranderlike om te oorweeg.’n Enkele string koolstofvesel is uiters dun – baie dunner as’n menshaar, so hulle word saamgebondel om te vorm wat’n “sleep” genoem word. Vir fietse kan 'n sleep enigiets tussen 1 000 en 12 000 stringe bevat, hoewel 3 000 (geskryf as 3K) die algemeenste is.
Vesel hierdie, vesel wat
Dit is die basiese beginsels, maar die skep van 'n opstel word ingewikkeld. "Vanuit 'n suiwer sterkte- en styfheidsoogpunt sal die ideale saamgestelde die hoogste moontlike verhouding van vesel tot hars hê en die minste buiging in die vesel," sê dr Peter Giddings, 'n navorsingsingenieur by die National Composites Centre, Bristol, wat met fietse gewerk en jare lank daarmee gejaag. 'Eenrigtingvesels, ten minste teoreties, is die beste keuse hiervoor. UD-materiale het 'n verhoogde styfheid-tot-gewig-verhouding in die veselrigting. Ongelukkig is UD-komposiete meer vatbaar vir skade en, sodra dit beskadig is, is dit meer geneig om te misluk as geweefde materiaal.’
Om 'n raam uitsluitlik uit UD-koolstoflae te bou, sal 'n fiets skep wat gevaarlik bros is, om nie eens te praat van onbetaalbaar duur as gevolg van die materiaal- en man-uurkoste nie. Daarom oorheers geweefde koolstof en is dit die voor die hand liggende keuse vir enige gebiede waar daar stywe kurwes en komplekse gewrigsvorms is. Wat meer is, mense hou van die voorkoms daarvan. "Esteties word geweefde materiale beskou as beter as eenrigtingmateriaal en die publiek se persepsie van 'n saamgestelde materiaal is 'n geweefde materiaal," sê Giddings. 'Trouens, baie vervaardigers verf [dus verberg] areas waar die raamkonstruksie 'n gladde, geweefde voorkoms verhoed.'
Gemak van vervaardiging moet ook by 'n opstelskedule ingereken word om arbeidskoste in ag te neem. Vir komplekse voege en vorms sal dit baie langer neem om die ideale opleg met UD-vesels te skep. Dit is nog 'n rede waarom geweefde materiaal die voorkeurkeuse van die meeste koolstoffietsvervaardigers is. "Geweefde lap is makliker om mee te werk as UD en verg minder vaardigheid om dit in 'n vereiste vorm te pas," sê Giddings. 'UD het 'n neiging om te skeur of te knik rondom komplekse vorms. Losgeweefde stowwe pas makliker aan en die struktuur se algehele sterkte word minder deur geringe vervaardigingsfoute beïnvloed.'
Vervaardigers sal waarskynlik kies vir 'n opleg met geweefde koolstof op die mees komplekse gebiede, soos die onderbeugel en kopbuisaansluitings, maar dit is steeds nie so eenvoudig soos dit klink nie, want daar is nog 'n faktor om te oorweeg. "Jy wil kontinuïteit van die veseloriëntasie behou, nie net rondom aansluitings nie, maar deur en verder," sê Paul Remy, 'n fietsingenieur by Scott Sports. 'Daar kan komplekse krommings by 'n aansluiting soos die onderbeugel wees, so jy moet aan 'n manier dink om die vesels se oriëntasie voort te sit, om die lading regdeur hulle oor te dra.'
Dit is hier waar raamingenieurs soos Remy dankbaar is vir die bystand van rekenaarwetenskap. In die verlede was die enigste manier om te weet hoe die verskillende oplegskedule veranderinge die eindresultaat kan beïnvloed om verskeie prototipes te bou en te toets, maar nou kan 'n oplegskedule met 'n baie hoë mate van akkuraatheid deur rekenaars getoets word voor 'n enkele string vesel het in 'n raamvorm geraak.
‘Voorheen was dit regtig moeilik om te weet watter effek die verandering van net een deel van die opstelling op die werkverrigting van die raam sou hê,’ sê Remy.
Bob Parlee, stigter van Massachusetts-gebaseerde Parlee Cycles, onthou daardie ou dae voordat rekenaars al die nommers nogal graag gekraak het: 'As jy die vragte op 'n vakwerkstruktuur soos 'n raam verstaan, is opstellings eenvoudig, so ek kon dit aanvanklik self in my kop uitwerk.” Parlee het sedertdien toegegee rekenaar eindige element analise (FEA) het sy plek. "Ek sou oorspronklik nie gate in raambuise steek [vir kabeltoegangspunte of bottelhokbevestigings] nie, want dit was potensiële swak plekke, maar nou vertel FEA ons wat om te doen om daardie gat te versterk," sê hy.
Verhoogde rekenaarkrag tesame met steeds meer gesofistikeerde sagteware stel ingenieurs in staat om baie virtuele modelle in 'n kort tyd te ontleed en die grense van ontwerp en materiale te verskuif. Volgens Gespesialiseerde ontwerpingenieur Chris Meertens, 'Iterasie is die naam van die speletjie. FEA-gereedskap skep 'n verteenwoordigende model van die raam en die doel is om elke vesel in ag te neem. Die sagteware laat my toe om elke laag te ontwerp, gebaseer op 'n optimeringsmodel vir die 17 laaikaste wat ons vir 'n modelraam het.’
Wat dit beteken, is dat die sagteware vir Meertens opdrag gee hoeveel koolstof in elke area van die raam moet wees, en die optimale oriëntasie vir die vesels. Die vaardigheid is egter om te weet wat is en nie moontlik is met koolstofoplegging nie. Soms spoeg die rekenaar ideale uit wat ver van ideaal is. “Meeste van die tyd kyk ek daarna en sê: “Daar is geen manier waarop ons dit kan doen nie,” sê Meertens. 'So dan raak ek besig met laminaatdrapeersagteware om virtuele lae te sny en dit op 'n virtuele deurn te drapeer, en dit op vervaardigingsuitvoerbaarheid en laminaatoptimalisasies te baseer.'
Selfs die gebruik van rekenaarsagteware kan dae neem om dit te ontsyfer, en daar is nog 'n lang pad om te gaan voordat die opstelling finaal gedefinieer word. Een aspek waar die menslike element noodsaaklik is, is om seker te maak dat die regte veselgraad op die regte plek gebruik word. Meertens sê, '0° vesel is baie styf, maar het nie goeie impaksterkte nie, so, om die saamgestelde skade verdraagsaam te hou, moet ons vermy om te veel in plekke soos die onderkant van 'n afbuis te plaas. Ek sal teen hierdie stadium weet watter laagvorms ek benodig, maar nou wil ek weet hoeveel van elke laag. So ek hardloop nog 'n optimaliseringsprogram wat vir my sê hoe dik ek hulle moet maak - in wese die aantal lae. Dit sal enige plek van 30 tot 50 kombinasies van lae ontleed. Ons sal vier of vyf keer deur die siklus van virtuele drapering en optimalisering hardloop, en die lae elke keer 'n bietjie meer verfyn. Maar een of ander tyd moet ons "Gaan" druk en dit afstuur.’
Definitiewe gids
Die oplegskedule is soos 'n 3D-kaart, wat elke stuk gevormde koolstof in elke laag bevat. “Die raam is in nege sones verdeel: twee sitsteune, twee kettingstawe, onderbeugel, sitplek, bo-, kop- en onderbuise,” sê Meertens.'Ons spesifiseer die datum, wat 'n as is, vir elke sone. Die oriëntasie van elke stuk koolstof in 'n sone word dan verwant aan daardie datum. 'n Onderbuis kan lae hê op 45°, 30° en 0° relatief tot die plaaslike datum. Oor die algemeen word die materiaal met 'n groter sterkte buite die as gebruik, teen 'n hoek. Die hoër modulus materiaal gebruik ons aksiaal, by 0°.’
Die resulterende lêer kan tot 100 Mb groot wees en word uiteindelik na die fabrieksvloer oorgedra. Elke werker in die fabriek ontvang slegs die gedeelte wat relevant is vir die deel van die raam waarvoor hulle verantwoordelik is om te skep. Dit is steeds nie die finale produksielopie nie. Die geboude raam is in hierdie stadium 'n prototipe en dit moet getoets word om te verseker dat die digitaal ontwerpte opleg 'n raam tot gevolg het wat in die praktyk presteer. Ultraklank, X-straal-inspeksie en fisiese disseksie onthul laminaatdiktes. Elders sal die harsmatriks weggebrand word om die kwaliteit van die laminering bloot te lê en of materiaal of vesels gemigreer het. Buigtoetse moet dieselfde resultate as die FEA-analise toon. Op die ou end is dit egter 'n mens wat dit op die pad uithaal.
‘Om die fiets te ry is die enigste manier waarop ons dit werklik kan kwantifiseer,’ sê Bob Parlee. ‘Ons kan die buig- en vragtoetse doen, maar ons moet uitklim en dit ry om te sien of dit presteer soos ons wil.’ Wanneer die model slaag, kry produksie uiteindelik die groen lig.
Die meeste fietsproduksie vind in die Verre Ooste plaas, en dit plaas selfs groter belang op die opstelskedule. Die fyn gedetailleerde plan, indien dit tot die letter gevolg word, behoort te verseker dat die produkte wat uit daardie groot fabrieke kom, identiese tweelinge is van dié wat in die finale prototipe-stadium getoets en geslaag is. Natuurlik toets en toets die meeste handelsmerke voortdurend produksierame om konsekwentheid te verseker sodat fietse wat die winkels bereik, aan die verwagtinge van die klant voldoen. In die meeste gevalle kan vervaardigers ook 'n raam se hele reis naspeur, terug na die oorsprong van die heel eerste veselstringe. Wat iets is om oor na te dink volgende keer as jy staan en jou trots en vreugde bewonder.
