Tillverkare älskar att skryta med att lägga upp kolfiber, så Cyclist bestämde sig för att undersöka vad detta betyder och hur det påverkar prestandan
En cykel, det säger sig självt, är den bästa julklappen någonsin, men eventuellt med undantag för en valp är den också svårast att slå in. Så synd om den stackars ramdesignern som måste linda och drapera kol runt sina komplexa kurvor så att ramen, när den är bakad och färdig, ger den önskade åkkänslan. Konstruktionen av en kolfiberram är ett komplext 3D-pussel som överskuggar Rubiks kub.
Det fina med kol är att, till skillnad från metall, kan flera delar läggas i skikt i olika grader av skärning och överlappning för att ge mycket snäv kontroll över de prestandaegenskaper och styrka som krävs vid varje given punkt på en cykelram. Nackdelen är att kol är anisotropt – det är starkare i en riktning än i ett annat på ett liknande sätt som trä – vilket betyder att styrkan är beroende av fibrernas riktning. För att kol ska bära betydande belastningar måste krafterna riktas längs dess fibrer, vilket gör fiberriktningen helt avgörande. En cykelrams beståndsdelar utsätts för krafter i flera riktningar, vilket innebär att kolfibrerna också måste löpa i flera riktningar. Det är därför olika lager har sina fibrer i olika vinklar, vanligtvis 0° (i linje), +45°, -45°, +90° och -90°, och faktiskt vilken vinkel som helst som v alts av formgivarna om det kommer att skapa de önskade attributen.
I djupet
Så är det för alla kolfiberramar. Under de glänsande exteriörerna finns många lager av kolfiberbitar vars styvheter, styrkor, former, storlekar, positioner och orienteringar har noggrant planerats, vanligtvis av en kombination av datorprogrampaket och ingenjörers expertis. Detta är känt som uppläggningsschemat, eller bara upplägget. När kolsticksågen är klar måste cykeln vara lätt, lyhörd, kostnadseffektiv och klara de mest extrema krafterna av cykling.
Professor Dan Adams, chef för laboratoriet för kompositmekanik vid University of Utah i S alt Lake City, själv en ivrig cyklist och som var involverad i utvecklingen av Treks första kolfiberramar, säger att det är allt att konstruera allt från kol. om rätt uppläggningsschema. "Det specificerar orienteringen av enskilda lager eller lager av kol/epoxi-prepreg, staplade för att göra den slutliga delen tjock", säger han. "Vissa ramdelar är lättare att lägga upp än andra. Rören är relativt enkla men korsningarna mellan dem är några av de mest komplexa skiktuppläggen du kommer att se i tillverkningsdelar i alla industrier som använder kol strukturellt, inklusive flyg- och bilindustrin.’
Carbons anisotropa natur gör också valet av rätt kol avgörande. Som enklast finns det två sätt att tillföra kol. Unidirectional (UD) har alla kolfibrer som löper i en riktning, parallellt med varandra. Alternativet till UD är ett vävt tyg, eller "tyg". Den har fibrer som löper i två riktningar, går under och över varandra i rät vinkel för att ge det klassiska utseendet av kolfiber. I det enklaste tyget, känt som slätväv, snörs fibrerna under och över vid varje korsning (kallad "1/1") för att skapa ett rutmönsterliknande mönster. Det finns många andra möjliga vävmönster. Twill (2/2) är lite lösare så lättare att drapera och lätt att känna igen på sitt diagonala mönster, som ser ut som chevrons.
Modulen (ett mått på elasticitet) hos fibern är också grundläggande för en given uppläggning. Modulus definierar hur styv en fiber är. En standardmodulfiber, klassad till 265 gigapascal (GPa) är mindre styv än en fiber med mellanmodul klassad till 320GPa. Mindre kol med högre modul krävs för att tillverka komponenter med samma styvhet, vilket resulterar i en lättare produkt. Fibrer med högre modul kan därför verka som det föredragna valet, men det finns en hake. En analogi kan göras med ett gummiband kontra en bit spagetti. Gummibandet är mycket elastiskt (har en låg modul) och kan böjas med mycket liten kraft men bryts inte, plus att det kommer att återgå till sin ursprungliga form efter böjning. Spaghettin, å andra sidan, är väldigt styv (hög modul) så kommer att motstå deformation till en punkt och sedan helt enkelt gå sönder. Marknadsavdelningar skryter ofta om införandet av en viss fibermodul i den senaste ramdesignen, men i de flesta fall är en cykelram en noggrann balansering av flera typer av modul inom upplägget för att leverera en önskvärd kombination av styvhet, hållbarhet och flexibilitet.
Det finns ytterligare en variabel att överväga. En enda sträng av kolfiber är extremt tunn – mycket tunnare än ett människohår, så de buntas ihop för att bilda vad som kallas en "tow". För cyklar kan en bogsera innehålla allt mellan 1 000 och 12 000 trådar, även om 3 000 (skrivet som 3K) är vanligast.
Fiber det här, fiber som
Det är grunderna, men att skapa en upplägg blir komplicerat. "Ur en ren hållfasthets- och styvhetssynpunkt skulle den idealiska kompositen ha den högsta möjliga andelen fiber till harts och den minsta böjningen i fibern", säger Dr Peter Giddings, forskningsingenjör vid National Composites Centre, Bristol, som har arbetat med cyklar och kört dem i många år. "Ensriktade fibrer, åtminstone teoretiskt, är det bästa valet för detta. UD-material har ett ökat förhållande mellan styvhet och vikt i fiberriktningen. Tyvärr är UD-kompositer mer känsliga för skador och, när de väl är skadade, är de mer benägna att misslyckas än vävda tyger.’
Att bygga en ram uteslutande av UD-kollager skulle skapa en cykel som var farligt skör, för att inte tala om oöverkomligt dyr på grund av material- och mantimskostnader. Därför dominerar vävt kol och är det självklara valet för alla områden där det finns snäva kurvor och komplexa fogformer. Dessutom gillar folk dess utseende. "Estetiskt anses vävda material se bättre ut än enkelriktade material och allmänhetens uppfattning om en komposit är ett vävt tyg", säger Giddings. "Faktum är att många tillverkare målar [därför döljer] områden där ramkonstruktionen förhindrar ett jämnt, vävt utseende."
Lätthet att tillverka måste också inkluderas i ett uppläggningsschema för att ta hänsyn till arbetskostnader. För komplexa fogar och former tar det mycket längre tid att skapa den perfekta uppläggningen med UD-fibrer. Det är en annan anledning till att vävda tyger är det föredragna valet för de flesta tillverkare av kolfibercykel. "Vävt tyg är lättare att arbeta med än UD och kräver mindre skicklighet för att anpassa det till en önskad form", säger Giddings. "UD har en tendens att dela eller böja sig runt komplexa former. Löst vävda tyger anpassar sig lättare och strukturens totala styrka påverkas mindre av mindre tillverkningsfel.’
Tillverkare kommer sannolikt att välja en lay-up med vävt kol på de mest komplexa områdena, som vevfästet och huvudrörskopplingarna, men det är fortfarande inte så enkelt som det låter eftersom det finns en annan faktor att ta hänsyn till. "Du vill behålla kontinuiteten i fiberorienteringen inte bara runt korsningar, utan genom och bortom dem", säger Paul Remy, en cykelingenjör på Scott Sports. "Det kan finnas komplexa krökningar vid en korsning som t.ex. bottenfästet så du måste tänka på ett sätt att fortsätta fibrernas orientering, för att överföra belastningen genom dem."
Det är här som ramingenjörer som Remy är tacksamma för hjälpen från datavetenskap. Tidigare var det enda sättet att veta hur de olika ändringarna av uppläggningsschemat kan påverka slutresultatet att bygga och testa flera prototyper, men nu kan ett uppläggningsschema testas med en mycket hög grad av noggrannhet av datorer innan en en fibersträng har landat i en ramform.
‘Tidigare var det verkligen svårt att veta vilken effekt att ändra bara en del av upplägget skulle ha på ramens prestanda, säger Remy.
Bob Parlee, grundare av Massachusetts-baserade Parlee Cycles, minns de gamla dagarna innan datorer gjorde alla siffror ganska förtjust: "Om du förstår belastningen på en fackverksstruktur som en ram, är upplägg enkla, så till en början kunde jag räkna ut dem själv i mitt huvud.” Parlee har sedan dess medgett att datorfinita elementanalys (FEA) har sin plats. "Ursprungligen skulle jag inte sätta hål i ramrör [för kabelingångspunkter eller flaskhållare] eftersom de var potentiella svaga punkter, men nu berättar FEA för oss vad vi ska göra för att förstärka det hålet", säger han.
Ökad datorkraft tillsammans med allt mer sofistikerad programvara gör att ingenjörer kan analysera många virtuella modeller på kort tid och tänja på gränserna för design och material. Enligt Specialized designingenjör Chris Meertens, Iteration är namnet på spelet. FEA-verktyg skapar en representativ modell av ramen och målet är att få varje fiber redovisad. Programvaran låter mig designa varje lager, baserat på en optimeringsmodell för de 17 lastfallen som vi har för en modellram.’
Vad det betyder är att programvaran instruerar Meertens hur mycket kol som ska finnas i varje område av ramen och den optimala orienteringen för fibrerna. Förmågan är dock att veta vad som är och inte är möjligt med koldioxiduppläggning. Ibland spottar datorn ur sig ideal som är långt ifrån idealiska. "För det mesta tittar jag på det och säger, "Det finns inget sätt att vi kan göra det", säger Meertens. "Så då blir jag upptagen med mjukvara för laminatdrapering för att skära virtuella lager och drapera dem på en virtuell dorn, baserat på tillverkningsmöjligheter och laminatoptimeringar."
Även med datorprogramvara kan detta ta dagar att dechiffrera, och det är fortfarande en lång väg kvar innan upplägget är slutgiltigt definierat. En aspekt där det mänskliga elementet är väsentligt är att se till att rätt fiberkvalitet används på rätt plats. Meertens säger, "0° fiber är väldigt styv men har inte bra slaghållfasthet så för att hålla kompositen skadetolerant måste vi undvika att lägga för mycket på platser som botten av ett stuprör. I det här skedet vet jag vilka lagerformer jag behöver, men nu vill jag veta hur många av varje lager. Så jag kör ett annat optimeringsprogram som talar om för mig hur tjocka jag ska göra dem – i huvudsak antalet lager. Det kommer att analysera allt från 30 till 50 kombinationer av lager. Vi kommer att gå igenom cykeln med virtuell drapering och optimering fyra eller fem gånger, och finjustera lagren lite mer varje gång. Men någon gång måste vi trycka på "Go" och skicka iväg den.’
Definitiv guide
Uppläggningsschemat är som en 3D-karta, som beskriver varje bit av formad kol i varje lager. "Ramen är uppdelad i nio zoner: två sätesstag, två kedjestag, bottenfäste, säte, topp, huvud och nerrör", säger Meertens.'Vi specificerar datumet, som är en axel, för varje zon. Orienteringen av varje kolbit i en zon är sedan relaterad till det datumet. Ett nedrör kan ha skikt vid 45°, 30° och 0° i förhållande till det lokala datumet. I allmänhet används materialet med högre hållfasthet utanför axeln, i en vinkel. Materialet med högre modul använder vi axiellt, vid 0°.’
Den resulterande filen kan vara upp till 100 Mb stor och skickas så småningom till fabriksgolvet. Varje arbetare i fabriken får endast den del som är relevant för den del av ramen de är ansvariga för att skapa. Detta är fortfarande inte den slutliga produktionen. Den byggda ramen är en prototyp i detta skede och den behöver testas för att säkerställa att den digit alt designade lay-upen resulterar i en ram som fungerar i praktiken. Ultraljud, röntgeninspektion och fysisk dissektion avslöjar laminattjocklekar. På andra ställen kommer hartsmatrisen att brännas bort för att exponera kvaliteten på lamineringen och om material eller fibrer har migrerat. Böjtester ska visa samma resultat som FEA-analysen. Men i slutändan är det en människa som tar den ut på vägen.
'Att cykla är det enda sättet vi verkligen kan kvantifiera det, säger Bob Parlee. "Vi kan göra böjnings- och belastningstesten men vi måste komma ut och åka den för att se om den fungerar som vi vill." När modellen klarar mönstringen får produktionen äntligen grönt ljus.
Det mesta av cykeltillverkningen sker i Fjärran Östern, och detta lägger ännu större vikt vid uppställningsschemat. Den fint detaljerade planen, om den följs till punkt och pricka, bör säkerställa att produkterna som kommer ut från de stora fabrikerna är identiska tvillingar till de som testades och godkändes i det sista prototypstadiet. Naturligtvis testar och testar de flesta märken kontinuerligt produktionsramar för att säkerställa konsekvens så att cyklar som når butikerna uppfyller kundernas förväntningar. I de flesta fall kan tillverkare också spåra en rams hela resa, ända tillbaka till ursprunget till de allra första fibersträngarna. Vilket är något att tänka på nästa gång du står och beundrar din stolthet och glädje.
