tento obsah vám přináší Allied Cycle Works. Zde se dozvíte více o našich zásadách sponzorovaného obsahu.
vyzvedněte jakýkoli marketingový materiál z libovolného počtu značek jízdních kol nabízejících rám z uhlíkových vláken a určitě budete zaplaveni vágním žargonem o použitých materiálech a konstrukčních metodách. Podívejte se hlouběji a zjistíte, že tolik značek ve skutečnosti mluví o podobných věcech, a přesto je konečný výsledek často tak rozmanitý.
stejně jako vám řekne šéfkuchař v restauraci Michelin Star, suroviny jsou pouze jediným aspektem konečného produktu. Dejte tyto stejné ingredience jinému šéfkuchaři a výsledek bude určitě jiný. Nemusí to být horší, ale chutě, textury a prezentace se budou znatelně lišit. Použití uhlíkových vláken k vytvoření rámu se neliší, a v této analogii, podrobné inženýrství, správný výběr materiálu, návrh rozvržení, a výrobní konzistence se kombinují, aby oddělily imitátory od odborníků, a dokonce i odborníci od sebe navzájem.
jak přesně se tedy uhlíkové vlákno používá k výrobě rámu? Jaké jsou různé konstrukční metody? Proč je samotný termín ve světě cyklistiky tak zavádějící? A pokud jsou suroviny stejné, proč jeden snímek funguje lépe než jiný? Abychom to všechno prozkoumali a ještě více, dostali jsme pomoc od čarodějů z výroby uhlíku v USA v Allied Cycle Works (značka HIA Velo) a australského specialisty na opravy uhlíku Raoula Lueschera z Luescher Teknik, abychom získali přehled o černé magii výroby rámů.
co je uhlíkové vlákno?
než se dostaneme do hloubky o tom, jak se rám stane, měli bychom začít s vysvětlením suroviny. Uhlíkové vlákno začíná svou cestu jako polymer, který je zpracován různými kroky zahřívání do dlouhých řetězců atomů uhlíku. Tyto dlouhé struny nebo vlákna sedí v průměru asi 5-10 mikronů, 10-20 krát menší než průměrné lidské vlasy.
tato jednotlivá vlákna jsou pak seskupena dohromady, aby vytvořily tenkou stuhu nebo koudel. A podobně jako se vlákno stává provázkem, který se pak stává provazem, uhlíková vlákna spolupracují a vytvářejí něco extrémně lehkého a silného.
počet použitých vláken na vlek je běžnou metrikou v cyklistickém světě a obvykle se měří v tisících. Například uhlíkový koudel s 3 000 vlákny má obvykle označení 3K; 6 000 vláken je 6K a tak dále.
skutečná pevnost a tuhost jednotlivých vláken se mohou také lišit, přičemž tuhost je popsána jako modul. Vyšší modul je dosaženo tím, že stále rafinovanější výrobní proces vlákna, stripování každé vlákno dále a dále dolů, a postupně dělat to hladší a tenčí. Zatímco náročnější na zdroje, tato tenčí vlákna také sedí pevněji spolu ve vleku, a celkově zvyšují tuhost vleku. Vyšší modul je však spojen se zvýšenou křehkostí, protože každé vlákno je tenčí.
modul je termín často hozený v marketingových materiálech a klíčové je vědět, že neexistuje žádná standardizace v tom, jak je modul popsán, alespoň v odvětví jízdních kol: materiál „ultra vysokého modulu“ jedné značky může být ve skutečnosti flexibilnější než uhlík „nízkého modulu“ jiné značky. A co je důležitější, je to, jak se tyto různé tuhosti uhlíku aplikují, na kterých záleží nejvíce, a nejlepší rámce budou vždy používat kombinaci modulů.
z uhlíku do kompozitu
vlečky z uhlíkových vláken jsou samy o sobě stěží užitečné, protože v této fázi jsou to pouze suché, poddajné kousky materiálu. Právě zde je odhalen jeden z více zavádějících prvků. Veškerý materiál z uhlíkových vláken používaný v cyklistice musí být v určitém ohledu spojen, obvykle dvoudílnou epoxidovou pryskyřicí. Přidáním pryskyřice do uhlíkových vláken se materiál změní na kompozit, nebo použít konkrétnější technický termín, polymer vyztužený uhlíkovými vlákny (CFRP). Vzhledem k tomu, že materiál je také obvykle vrstvený, kompozit je často označován jako laminát, také.
tam, kde je uhlíkové vlákno extrémně silné a lehké, je pryskyřice poměrně těžká a slabá. Cílem takového kompozitu je použít co nejméně pryskyřice, aby se uhlíkové vlákno udrželo na místě. Je to tady, že vyšší modul uhlík opravdu svítí, protože menší mezery mezi vlákny vyžadují méně pryskyřice k vyplnění.
někteří výrobci budou měnit výkonnostní charakteristiky hotové struktury použitím jiných typů vláken a modifikovaných pryskyřic, jako jsou kompozitní epoxidy naplněné skleněnými nebo uhlíkovými nanotrubicemi (mikroskopická vlákna). Allied Cycle Works používá ve svých rámech výztužný materiál známý jako Innegra, zatímco o jiných je známo, že zahrnují materiály, jako je aramid, pro zvýšení odolnosti laminátu proti nárazu.
většina výrobců rámů staví rámy s listy z uhlíkových vláken, které jsou předem impregnovány nevytvrzenou pryskyřicí-lépe známou jako pre-preg-nanesené na nelepivý papírový podklad a dodávány na velkých rolích. Pryskyřice se aktivuje teplem, a tak jsou tyto předpřipravené listy uloženy v mrazáku, dokud není potřeba. Tento proces pomáhá zajistit rovnoměrné pokrytí pryskyřicí v celém rámu, větší konečnou kontrolu nad rozložením a zkrácení pracovní doby.
ve většině případů jsou všechna vlákna v těchto svitcích jednosměrná, přičemž všechna vlákna běží v jednom paralelním směru. Tato orientace poskytuje maximální pevnost a tuhost v jednom směru, ale na úkor minimální pevnosti a tuhosti v ortogonálním směru. Alternativně mohou být vleky utkány dohromady v různých úhlech, často ve zkříženém vzoru, takže materiál může být stejně silný ve více směrech.
„jednosměrný (UD) pre-preg je běžný, protože má vyšší specifické vlastnosti a je snazší položit specifický úhel vlákna,“ říká Luescher. „je jednodušší položit na složitých geometrických místech a tam, kde jsou zatížení méně definována. Poskytuje také lepší odolnost proti poškození, protože je méně pravděpodobné, že se delaminuje v důsledku mechanického blokování vláken. Tkaniny se často používají na místech v celém rámu, jako jsou vložky, skořepiny spodního držáku, hlavové trubky, a všude tam, kde jsou vyvrtány otvory pro držáky lahví, vedení kabelů, atd.“
zatímco prepreg je zdaleka nejběžnějším materiálem v cyklistickém průmyslu, jiné konstrukční metody začínají suchými vlákny.
navíjení nekonečných vláken například ovine listy nebo pásky ze suchých uhlíkových vláken kolem pevného trnu, který má nominálně válcový tvar. Pryskyřice se aplikuje během procesu balení a pak se celá sestava vytvrzuje za tepla a tlaku.
v dalším způsobu, Time splétá své vlastní uhlíkové trubky in-house ze suchého uhlíkového koudelu-něco jako, jak jsou vyrobeny ponožky. Tato suchá trubka je pak zajištěna ve formě a pryskyřice je vstřikována pod vysokým tlakem pomocí procesu, který vyžaduje tvarování pryskyřice.
bez ohledu na metodu použitou k vytvoření konečného tvaru konstrukce je na inženýrovi, aby zajistil, že správné typy uhlíkových vláken (a pryskyřic) budou použity na správných místech a ve správných orientacích pro nejlepší konečný výsledek. Návrháři rámu musí vážit širokou škálu parametrů, jako je tuhost vs. křehkost a hmotnost vs. trvanlivost. Odolnost proti nárazu, a samozřejmě náklady, musí zohlednit do rovnice, také. Obecně, ačkoli, konstrukční možnosti uhlíkového rámu jsou dokořán, a když to uděláte správně, délka života uhlíkového rámu může být téměř nekonečná.
navrhování rámu není rychlý výkon, a proto je nemožné provést předmět spravedlnosti zde. Bez ohledu na značku rámu nebo model je tento proces rozsáhlý a mezi různými značkami se velmi liší.
většina rámů z uhlíkových vláken má pravděpodobně podobnou genezi – značka definuje účel rámu a je po něm poptávka. Koneckonců, pokud se chystáte investovat rozsáhlé zdroje, měli byste si být jisti, že je můžete komercializovat.
dalším krokem by bylo, aby značky definovaly, čeho musí nový rámec dosáhnout. Vzhledem k vyspělosti rámů jízdních kol z uhlíkových vláken v tomto bodě, je to obvykle neustálé zlepšování, které řídí změnu, a zřídka je dosaženo skutečné inovace. To je důvod, proč každých pár let uvidíte značku aktualizovat stávající model s iteračními a přírůstkovými vylepšeními, spíše než velkoobchodní redesigny produktů, které jsou již docela rafinované. To je stejně výsledkem poučení z minulých chyb nebo předchozích konstrukčních omezení, protože je to známka neustálého vývoje v používání uhlíkových vláken.
Luescher vysvětluje, že pokrok v rámech z uhlíkových vláken je většinou založen na důslednější kontrole procesu.
„ačkoli došlo k pokroku ve třídách vláken,které jsou často předmětem marketingových oddělení, spolehlivé zhutnění a tvarování převažují nad teoretickými zisky ze samotné změny surovin,“ řekl. „Zvýšená rovnoměrnost zhutnění vedla ke snížení nedostatků, konzistentnějším vlastnostem laminátu a tím ke zvýšení konstrukčního výkonu. Díky tomu, že jsou konstrukční modely schopny vyrábět konzistentnější lamináty, jsou schopny optimalizovat rozložení rámu tak, aby vytvářely lehčí, silnější a únavově odolnější rámy, které nevyžadují tak velký bezpečnostní faktor, jak bylo dříve požadováno.“
podle sama Pickmana, ředitele produktů a inženýrství v Allied Cycle Works, hraje digitální vývoj po dokončení počátečního konceptu obrovskou roli.
“ zde se ponoříme do designu zásadním způsobem, včetně 3D analýzy FEA, CFD, pokud je to nutné, a co je nejdůležitější, jak to uděláme. Rozhodujeme se, zda a kde bude rám rozdělen, jaké materiály chceme použít, jak jej předformujeme, jak chceme, aby nástroje vypadaly atd.“
Jezditelné prototypy jsou drahé a obvykle přicházejí mnohem později. Podle Pickmana Allied nejprve používá 3D vytištěný vzorek motocyklu k testování montáže součástí, obecné estetiky a výrobního plánu.
“ jakmile to vyčistíme, začne návrh a výroba nástrojů a vytvoří se návody. Jakmile jsou nástroje dokončeny, začneme vývoj dílů. To je, když fyzicky vyrábíme a rozbíjíme díly. Po veškerém digitálním vývoji jsme si docela jistí, ale k dosažení potřebného výkonu je obvykle nutné několik revizí. Jakmile projdeme testováním, začneme jezdit na kolech a sbírat zpětnou vazbu. Zároveň začneme školit zaměstnance o nových procesech. Když jsme všechno vyčistili, spustíme pilotní běh, abychom vyřešili zlomy.“
výrobní procesy
existuje řada způsobů, jak tyto suroviny z uhlíkových vláken a pryskyřice proměnit v rám kola. I když existuje několik specializovaných hráčů s nekonvenčními technikami, drtivá většina odvětví přijala monocoque metodu.
Monocoque manufacturing
termín běžně používaný k popisu moderních rámů jízdních kol z uhlíkových vláken, monocoque design účinně znamená, že položka zvládá své zatížení a síly prostřednictvím jediné kůže. V realitě, skutečné monocoque rámy silničních kol jsou extrémně vzácné, a většina z toho, co je vidět v cyklistice, má pouze monocoque přední trojúhelník, se sedadly a řetězy vyrobenými samostatně a později spojenými dohromady. Tyto, jakmile jsou zabudovány do úplného rámu, jsou správněji nazývány Polo-monokokovou nebo modulární monokokovou strukturou. Tato technika používaná spojeneckým cyklem funguje, a je zdaleka nejběžnější v cyklistickém průmyslu.
bez ohledu na to, zda je terminologie odvětví správná, obvykle první kroky vidí velké listy pre-preg uhlíku rozřezané na jednotlivé kusy, z nichž každý je umístěn ve specifické orientaci ve formě. V případě spojeneckých Cyklových prací, konkrétní výběr uhlíku, rozložení, a orientace jdou dohromady v příručce vrstvy, jinak známý jako plán rozvržení. To konkrétně nastiňuje přesně to, co kusy pre-preg uhlíku jít kam v rámci formy. Přemýšlejte o tom jako o skládačce, kde je každý kus očíslován.
rámy z uhlíkových vláken jsou často vnímány jako levné a snadno vyrobitelné, ale skutečností je, že tento proces vrstvení je velmi časově náročný a nákladný. Podle Allied Cycle Works používá rám Alfa road 326 kusů jednotlivých pre-preg uhlíkových kusů v rámu a 170 ve vidlici, z nichž všechny jsou pečlivě položeny ručně, v určitém pořadí a ve více vrstvách podle návodu inženýra.
„způsob, jakým plies leží na jiném, pomáhá v tom, jak se rozvíjejí, když klesá viskozita pryskyřice,“ vysvětlil Pickman. „Čím jednodušší mohou klouzat a naplnit nástroj, tím lepší konsolidaci získáte. Pre-form velikost je jen zajistit, že plies nemusí pohybovat dlouhou cestu se dostat do jejich konečného tvaru. Čím více se musí pohybovat, tím více problémů získáte, včetně problémů s konsolidací.“
vyrobeno tak, aby bylo specifické pro model a velikost, forma diktuje vnější povrch a tvar rámu. Tyto formy jsou obvykle opracovány buď z oceli nebo hliníku, konstruovány pro opakované použití a bez rozptylu.
vnější povrch je však pouze částí příběhu a uhlík musí být také stlačen zevnitř, aby bylo zajištěno správné zhutnění a aby nebyly vytvořeny žádné dutiny (slabiny). Zde se používají různé techniky. Nafukovací měchýře, které jsou někdy jen ponechány v rámu, jsou možná nejběžnější. Mezi další příklady patří pěnové nebo voskové trny, které lze roztavit; pružné křemíkové trny; a někdy i pevnější trny, ať už jsou plastové nebo kovové.
proces Allied je poměrně běžný mezi prémiovými a velkými možnostmi rámců. Rám je vrstvený kolem sítě nafukovacích močových měchýřů a polotuhých preformů na jedné straně dvoudílné, véčko podobné formě, a druhá strana formy je zajištěna nahoře po dokončení pokládky.
odtud je forma zcela utěsněna vakuovým vakem, než je přemístěna do fáze de-bulk. „De-směsný je proces mezi lay-up a vytvrzování, kde se aplikuje vakuum a trochu tepla na část a čerpat co nejvíce vzduchu, jak je to možné před vytvrzením,“ vysvětlil Pickman.
v případě Allied je forma vyjmuta z vakuového vaku a umístěna do vyhřívaného lisu. Rám uvnitř se opět zahřívá, aby umožnil tok pryskyřice, zatímco vnitřní močové měchýře jsou pod tlakem, aby se dosáhlo konečného ujištění, že je dosaženo správného zhutnění materiálu. Tento proces vytvrzování zvyšuje vnitřní tlak postupně s cílem tlačit vrstev do nejvzdálenějších částí formy. Toto i de-objemové práce společně pomáhají eliminovat vzduchové dutiny, záhyby vláken nebo jiné potenciální stoupačky napětí v materiálu-to vše při odstraňování přebytečné pryskyřice.
po vytvrzení, rám je extrahován z jeho formy, a vnitřní vzduchové měchýře a pre-formy jsou odstraněny. Patky, sedačky, a řetězy jsou pak spojeny s předním trojúhelníkem. Tyto vazby jsou obaleny dalšími pásy z uhlíkových vláken, které poskytují jak extra konstrukční podporu, tak bezproblémovou povrchovou úpravu, a veškerá tato sestava se provádí v přípravku, aby bylo zajištěno dokonalé vyrovnání.
nyní vypadá jako rám, dalším krokem je broušení a příprava barvy. Náročný proces jemné detaily zajišťuje žádné přebytečné pryskyřice nebo stopy z formy jsou viditelné. Zejména výrobci budou věnovat velkou pozornost spojovacím spojům, které často vyžadují nejvíce ošetření z montáže rámu.
ve stejném bodě probíhají vrtné práce pro klece na láhve s vodou, přední držák přesmykače a systémy správy kabelů. Se směsí nýtů (závitových nýtů), nýtů a epoxidu, které se obvykle používají k trvalému připevnění předmětů, se tyto pečlivě přidávají do oblastí, které již byly během přípravy vyztuženy.
vše v, vytvoření jediného spojeneckého Alfa rámu,který je zcela vyráběn interně v USA, se říká, že trvá přibližně 24 hodin práce.
„ve skutečném čase trvá asi 10 dní, než kolo projde budovou,“ uvádí Pickman.
když to uděláte správně, monocoque design vytváří neuvěřitelně silný a lehký produkt, vše s minimálním překrytím materiálů. Je to z toho důvodu, plus způsob, jakým mohou být mechanické vlastnosti uhlíkových vláken tak pečlivě kontrolovány, že výroba monokoků je nejlepší volbou pro stavbu rámu s nejvyšším poměrem tuhosti k hmotnosti. Pokud se podíváte na kola používaná ve Světětour, například všichni kromě Colnago C60 týmu UAE Emirates používají modulární-monocoque výrobní techniku.
výroba Monokoků není bez několika nevýhod, ale hlavně v souvislosti s dostupností a náklady.
Za prvé, jak je podrobně popsáno výše, je tato metoda extrémně náročná na práci. Dokonce i dobře obsazená a efektivní továrna, jako je Allied ‚ s, trvá relativně dlouho, než se vytvoří rám. To je jeden z hlavních důvodů, proč se většina světových jízdních kol z uhlíkových vláken vyrábí v Asii – pokud pracovní síla tvoří většinu výrobních nákladů, má smysl co nejvíce minimalizovat vaše pracovní náklady.
za druhé, specifické formy musí být vytvořeny pro každou konstrukci rámu a v rámci toho každá velikost rámu vyžaduje také vlastní formu. Vzhledem k tomu, jak někteří výrobci nabízejí 12 velikostí nebo dokonce více geometrií pro každou velikost, je snadné vidět inherentní náklady v tomto procesu. Podle společnosti Pickman stojí investice Allied do formování nového designu rámu a vidlic v celé řadě velikostí, včetně doprovodných specifických nástrojů, kolem 160 000 USD.
mnoho výrobců pracuje na dvouletém nebo tříletém životním cyklu konstrukce uhlíkového rámu, aby kompenzovalo náklady po delší dobu. Je to jeden z klíčových důvodů, proč nevidíte, že obří nebo specializované přicházejí každý rok s novým rámovým modelem.
s takovými náklady na nástroje mají menší značky a výrobci těžké ospravedlnění zdrojů, když neexistují výrobní množství, která by podpořila investici. V mnoha případech to vede k tomu, že open-source nebo generické formy používají menší nebo diskontní značky.
Tube To tube
výrobci butiků, kteří se specializují na vlastní geometrie, fits a lay-upy, považují za extrémně obtížné vyrábět monocoque vzory za obchodovatelnou cenu, takže se často obracejí na jiný způsob výroby rámů zvaný tube-To-tube. V konceptu, není to všechno tak odlišné od toho, jak se vyrábějí svařované ocelové, titanové a hliníkové rámy.
v tomto procesu se každá trubka z uhlíkového rámu vyrábí samostatně a někdy pochází přímo od výrobce uhlíkových trubek. Tato metoda poskytuje stavitelům nižší překážku vstupu, aby měli kontrolu nad geometrií, tuhostí a kvalitou jízdy rámu. Výběr trubek určuje výkonnostní vlastnosti, které tvůrce rámů hledá, a přizpůsobená délka trubky určuje geometrii.
s trubkami vybranými a nařezanými na délku jsou pokosové tak, aby se navzájem hladce hodily. Poté se použije přípravek, protože trubky jsou spojeny dohromady a vytvářejí rám. Stavitelé často epoxidové trubky dohromady, a pak použít pre-cut, pre-preg listy zabalit trubky dohromady a posílit spoje.
některé pokročilejší metody uvidí, jak se rám vloží do vakuového vaku nebo dokonce do tuhé nebo pružné formy, která pomůže s zhutněním, zatímco jiné se po vytvrzení pryskyřice přesunou přímo do konečné přípravy.
tato metoda je populární pro vlastní geometrické rámy, protože umožňuje širokou škálu ovládání specifických úhlů a délek trubek. Je to však proces, který vyžaduje kvalifikovaný přístup k zajištění dlouhodobé bezpečnosti. Kromě toho bude v této metodě více redundantního překrytí materiálu, než co je možné s monokokovou technikou.
Lugged Carbon
podobně jako metoda tube-To-tube, lugged carbon frames vidí singulární trubky Spojené kousek po kousku, aby vytvořily rám. Nicméně, tam, kde jsou spoje mezi trubkami jednotlivě zabaleny, uhlíkové rámy s výstupky používají spíše proces plug-and-play, kde jsou pokosové trubky spojeny do předem vytvořených výstupků-znovu, stejně jako jejich kovové analogy.
často jsou oka moderních uhlíkových rámů také uhlíkové, například na Colnago C60,ale není tomu tak vždy. Stejně jako trubka-trubka, lugged konstrukce poskytuje velkorysou flexibilitu, pokud jde o geometrii rámu, tuhost rámu, a kvalita jízdy, s možnostmi omezenými pouze tím, jaké oka jsou k dispozici.
jedním z nejmodernějších příkladů je Bastion z australského Melbourne, který používá 3D-tištěné titanové oka pro kompletní vlastní kontrolu s každou objednávkou. Původní týmový stroj BMC, jako je ten, který jel Tyler Hamilton na Phonaku, používal hliníková oka s uhlíkovými trubkami a mnohem dříve, Trek propagoval hromadnou výrobu technologie s 2300 silničním rámem.
stejně jako u konstrukce trubky k trubce, i když, lugované rámy mají ze své podstaty více materiálového překrytí než monokokové, a proto vracejí nižší poměr tuhosti k hmotnosti.
kontrola a testování kvality
co není zřejmé, jsou kroky, které někteří výrobci podniknou na cestě, aby zajistili, že hotové rámy skutečně splňují konstrukční záměr – a jinými slovy jsou bezpečné pro jízdu.
zatímco v této oblasti existují některé průmyslové standardy, jako jsou certifikace CEN a ISO, to, co Allied Cycle Works-a většina dalších významných značek-lze považovat za nejběžnější postupy. Kromě častých vizuálních kontrol jsou jednotlivé části a podsestavy individuálně zváženy, aby se zajistilo správné množství pryskyřice do každé složky. Částečně díky menším objemům výroby Allied jsou sledovány i suroviny.
německý dodavatel rámů Canyon dokonce jde tak daleko, že kontroluje vidlice a rámy pomocí rentgenového přístroje, což poskytuje podrobnější a nedestruktivní způsob zkoumání hotových kompozitních dílů.
hotový rám
vše řečeno a hotovo, vytvoření uhlíkového rámu je časově náročný proces a ten, který zůstává překvapivě praktický. Pro materiál s takovou všestranností v jeho použití není pochyb o tom, že ďábel je v detailu-zejména pokud jde o vytvoření něčeho, co je stejně lehké, silné, vyhovující a bezpečné.
z dálky se při výrobě uhlíkových kol v průběhu let příliš nezměnilo. Podívejte se však hlouběji a uvidíte, že lepší porozumění materiálové aplikaci a lepší kontrola kvality vedly k produktu, který je lepší než to, co bylo k dispozici v minulých letech. Bez ohledu na to, jaký estetický tvar má rám, lze s jistotou říci, že skutečný výkon uhlíkových vláken leží hluboko pod povrchem.
