dette indhold er bragt til dig af Allied Cycle værker. Læs mere om vores sponsorerede indholdspolitikker her.
Hent ethvert markedsføringsmateriale fra et hvilket som helst antal cykelmærker, der tilbyder en kulfiberramme, og du er sikker på at blive oversvømmet med vag jargon om de anvendte materialer og konstruktionsmetoder. Tag et dybere kig, og du vil opdage, at så mange mærker faktisk taler om lignende ting, og alligevel er slutresultatet ofte så varieret.
ligesom en kok på en Michelin-Stjernerestaurant vil fortælle dig, er råvarerne kun et enkelt aspekt af slutproduktet. Giv disse identiske ingredienser til en anden kok, og resultatet vil helt sikkert være en anden. Det kan ikke være værre, men smag, teksturer og præsentation vil alle variere mærkbart. Brug af kulfiber til at fremstille en ramme er ikke anderledes, og i denne analogi kombineres detaljeret teknik, korrekt materialevalg, layup-design og fremstillingskonsistens for at adskille efterlignere fra eksperterne og endda eksperterne fra hinanden.
så hvordan bruges kulfiber til at lave en ramme? Hvad er de forskellige konstruktionsmetoder? Hvorfor er udtrykket i sig selv så vildledende i cykelverdenen? Og hvis råmaterialerne er de samme, Hvorfor fungerer en ramme bedre end en anden? For at udforske alt dette og mere fik vi hjælp fra de amerikanske baserede carbon manufacturing-guider på Allied Cycle-værker (et mærke af HIA Velo) og australsk-baserede carbon reparationsspecialist Raoul Luescher fra Luescher Teknik, for at få deres indsigt i den sorte magi ved rammeproduktion.
hvad er kulfiber?
før vi går i dybden med, hvordan en ramme bliver, skal vi starte med en forklaring af råmaterialet. Kulfiber starter sin rejse som en polymer, der behandles gennem forskellige opvarmningstrin til lange strenge af kulstofatomer. 5-10 mikron i diameter hver, 10-20 gange mindre end det gennemsnitlige menneskehår.
disse individuelle filamenter samles derefter sammen for at danne et tyndt bånd eller slæb. Og ligesom hvordan en tråd bliver en streng, som derefter bliver et reb, arbejder carbonfilamenter sammen for at danne noget ekstremt let og stærkt.
antallet af filamenter, der anvendes pr.slæb, er en almindelig måling i cykelverdenen og måles typisk i tusinder. For eksempel får et carbon-slæb med 3.000 filamenter typisk betegnelsen 3K; 6.000 filamenter er 6k og så videre.
den faktiske styrke og stivhed af de enkelte fibre kan også variere, idet stivheden beskrives som modul. Højere modul opnås ved i stigende grad at raffinere filamentproduktionsprocessen, strippe hvert filament længere og længere ned og gradvist gøre det glattere og tyndere. Mens de er mere ressourceintensive, sidder disse tyndere filamenter også tættere sammen i et slæb og øger stivheden af slæb generelt. Imidlertid er højere modul forbundet med øget brølhed, da hvert filament er tyndere.
Modulus er et udtryk, der ofte kastes rundt i marketingmaterialer, og det vigtigste at vide er, at der ikke er nogen standardisering i, hvordan modulus beskrives, i det mindste inden for cykelindustrien: et mærkes hævdede “ultrahøjmodul” – materiale kan faktisk være mere fleksibelt end et andet mærkes “lavmodul” – kulstof. Endnu vigtigere er det, hvordan disse forskellige stivheder af kulstof anvendes, der betyder mest, og de bedste rammer vil altid bruge en blanding af moduler.
fra kulstof til komposit
træk af kulfiber er næppe nyttige i sig selv, da de på dette stadium kun er tørre, bøjelige stykker materiale. Det er her, at et af de mere vildledende elementer afsløres. Alt kulfibermateriale, der anvendes til cykling, skal i en vis henseende være bundet, normalt med en todelt epoksisharpiks. Tilsætning af harpiks til kulfiber gør materialet til en komposit eller for at bruge det mere specifikke tekniske udtryk, kulfiberforstærket polymer (CFRP). Da materialet også normalt er lagdelt, omtales kompositmaterialet ofte også som et laminat.
hvor kulfiber er ekstremt stærk og let, er harpiksen forholdsvis tung og svag. Målet med en sådan komposit er at bruge så lidt harpiks som muligt for at holde kulfiberen på plads. Det er her, at højere modulus carbon virkelig skinner, da de mindre huller mellem filamenter kræver mindre harpiks at fylde.
nogle producenter vil variere præstationsegenskaberne for den færdige struktur ved brug af andre fibertyper og modificerede harpikser, såsom sammensatte epokser infunderet med glas eller kulstofnanorør (mikroskopiske filamenter). Allierede Cyklusværker bruger et forstærkende materiale kendt som Innegra i sine rammer, mens andre har været kendt for at omfatte materialer såsom aramid for at øge laminatets slagfasthed.
de fleste rammeproducenter bygger rammer med plader af kulfiber, der er præimprægneret med uhærdet harpiks-bedre kendt som pre – preg-påført på en non – stick papirunderlag og sendt på store ruller. Harpiksen aktiveres med varme, og derfor opbevares disse præ-pregplader i en fryser, indtil det er nødvendigt. Denne proces hjælper med at sikre jævn harpiksdækning i hele rammen, større endelig kontrol over lægningen og reduceret arbejdstid.
i de fleste tilfælde er fibrene i disse ruller alle ensrettet, hvor alle fibrene løber i en parallel retning. Denne orientering giver maksimal styrke og stivhed i en retning, men på bekostning af minimal styrke og stivhed i ortogonal retning. Alternativt kan slæbebådene væves sammen i forskellige vinkler, ofte i et krydset mønster, så materialet kan være lige så stærkt i flere retninger.
“envejs (ud) pre-preg er almindelig, fordi den har højere specifikke egenskaber og er lettere at lægge en bestemt fibervinkel,” siger Luescher. “er lettere at lægge op på komplekse geometri steder, og hvor belastningerne er mindre defineret. Det giver også bedre skadetolerance, da det er mindre sandsynligt, at det delaminerer på grund af den mekaniske sammenlåsning af fibrene. Vævet stof bruges ofte på steder i hele rammen, såsom indsatser, krankbeslagskaller, hovedrør, og hvor der bores huller til flaskefester, kabelføringer, etc.”
mens prepreg er langt det mest almindelige materiale i cykelindustrien, starter andre konstruktionsmetoder med tørre fibre.
Filamentvikling vikler f.eks. plader eller bånd af tør kulfiber rundt om en fast dorn, der nominelt er cylindrisk. Harpiks påføres under indpakningsprocessen, og derefter hærdes hele samlingen under varme og tryk.
i endnu en metode væver Time sine egne carbonrør internt fra tørt carbon blår-ligesom hvordan sokker er lavet. Det tørre rør fastgøres derefter i en form, og harpiks injiceres under højt tryk ved hjælp af en procestid, der kalder Harpiksoverførselsstøbning.
uanset hvilken metode der bruges til at danne en strukturs endelige form, er det op til ingeniøren at sikre, at de rigtige typer kulfiber (og harpikser) bruges de rigtige steder og i de rigtige retninger for det bedste slutresultat. Rammedesignere skal veje en lang række parametre, såsom stivhed vs. brølhed og vægt vs. holdbarhed. Slagfasthed, og selvfølgelig omkostninger, skal også indgå i ligningen. Generelt, selvom, designmulighederne for en kulstoframme er vidt åbne, og når det gøres rigtigt, levealderen for en kulstoframme kan være næsten uendelig.
designprocessen i en nøddeskal
design af en ramme er ingen hurtig bedrift, og det er derfor umuligt at gøre emnet retfærdighed her. Uanset rammemærke eller model er processen omfattende og varierer meget mellem de forskellige mærker.
de fleste kulfiberrammer har uden tvivl en lignende oprindelse – mærket definerer formålet med rammen, og at der er efterspørgsel efter den. Når alt kommer til alt, hvis du vil investere omfattende ressourcer, skal du være sikker på, at du kan kommercialisere det.
det næste trin ville se mærker definere, hvad den nye ramme skal opnå. I betragtning af modenheden af kulfibercykelrammer på dette tidspunkt er det normalt løbende forbedring, der driver forandring, og sjældent opnås ægte innovation. Dette er grunden til, at du hvert par år ser et brand Opdatere en eksisterende model med iterative og trinvise forbedringer, snarere end engros redesign af produkter, der allerede er ret raffinerede. Dette er lige så meget resultatet af at lære af tidligere fejl eller tidligere designbegrænsninger, da det er et tegn på den fortsatte udvikling i brugen af kulfiber.
Luescher forklarer, at udviklingen inden for kulfiberrammer for det meste skyldes mere ensartet processtyring.
“selvom der er sket fremskridt inden for fiberkvaliteter, som ofte er fokus for marketingafdelingerne, opvejer pålidelig komprimering og støbning de teoretiske gevinster ved en råvareændring alene,” sagde han. “Den øgede ensartethed af komprimeringen har ført til reducerede fejl, mere ensartede laminategenskaber og dermed øget strukturel ydeevne. Ved at kunne producere mere ensartede laminater er strukturelle modeller bedre i stand til at optimere rammeoplægningen for at producere lettere, stærkere og mere træthedsbestandige rammer, der ikke kræver en så stor sikkerhedsfaktor som tidligere krævet.”
ifølge Sam Pickman, direktør for produkt og teknik ved Allied Cycle-værker, spiller digital udvikling en enorm rolle, efter at det oprindelige koncept er afsluttet.
“her dykker vi ned i design på en større måde, herunder 3D FEA-analysen, CFD om nødvendigt, og vigtigst af alt, hvordan vi skal gøre det. Vi beslutter, om og hvor rammen skal opdeles, hvilke materialer vi vil bruge, hvordan vi vil forme den, hvordan vi vil have værktøjet til at se ud osv.”
rideable prototyper er dyre og kommer typisk meget senere i processen. Ifølge Pickman bruger Allied først en 3D-trykt prøve af cyklen til at teste komponentmontering, generel æstetik og en produktionsplan.
“når vi har ryddet dette, starter værktøjsdesign og fremstilling, og ply manualerne oprettes. Når værktøjerne er færdige, begynder vi deludvikling. Dette er, når vi fysisk gør og bryde dele. Efter al den digitale udvikling er vi ret sikre, men et par revisioner er normalt nødvendige for at få den ydeevne, vi har brug for. Når vi har bestået testen, begynder vi at køre på cyklerne og indsamle feedback. Samtidig begynder vi at uddanne personale på de nye processer. Når vi har ryddet alt, starter vi en pilotkørsel for at finde ud af kinks.”
fremstillingsprocesser
der er en række måder at omdanne disse råvarer af kulfiber og harpiks til en cykelramme. Mens der er et par nichespillere med ukonventionelle teknikker, langt størstedelen af branchen har vedtaget monokokmetoden.
monokokfremstilling
et udtryk, der ofte bruges til at beskrive moderne kulfibercykelrammer, monokok design betyder effektivt, at genstanden håndterer sine belastninger og kræfter gennem sin enkelt hud. I virkeligheden, ægte monokok landevejscykelrammer er ekstremt sjældne, og størstedelen af det, der ses i cykling, har kun en monokok fronttrekant, med sædestængerne og kædestængerne produceret separat og senere bundet sammen. Disse, når de først er indbygget i en komplet ramme, kaldes mere korrekt en semi-monokokk, eller modulær monokokk, struktur. Dette er den teknik, der bruges af Allied Cycle, og er langt den mest almindelige i cykelindustrien.
uanset om branchens terminologi er korrekt, ser de første trin typisk store plader af præ-preg kulstof skåret i individuelle stykker, som hver er placeret i en bestemt retning i en form. I tilfælde af allierede Cyklusværker, det specifikke valg af kulstof, layup, og orientering går alle sammen i en lagmanual, ellers kendt som layup-tidsplan. Dette skitserer specifikt nøjagtigt, hvilke stykker præ-preg-kulstof der går, hvor inden i formen. Tænk på det som et puslespil, hvor hvert stykke er nummereret.
kulfiberrammer opfattes ofte som billige og lette at fremstille, men virkeligheden er, at denne lagdelingsproces er ekstremt tidskrævende og dyr. Ifølge Allied Cycle-værker bruger Alfa road-rammesættet 326 stykker individuelle præ-preg-kulstofstykker i rammen og 170 i gaffelen, som alle lægges omhyggeligt i hånden, i en bestemt rækkefølge og i flere lag efter ingeniørens ply manual.
“den måde, hvorpå lagene lå på en anden, hjælper med, hvordan de udfolder sig i, når harpiksviskositeten falder,” forklarede Pickman. “Jo lettere de kan glide og fylde værktøjet, jo bedre konsolidering får du. Pre-form størrelse er bare at sikre, at lagene ikke behøver at bevæge sig langt for at komme til deres endelige form. Jo mere de har brug for at flytte, jo flere problemer får du, herunder konsolideringsproblemer.”
lavet til at være model – og størrelsesspecifik, formen dikterer rammens udvendige overflade og form. Disse forme er typisk bearbejdet af enten stål eller aluminium, bygget til gentagen brug og uden varians.
den ydre overflade er dog kun en del af historien, og kulstoffet skal også komprimeres indefra for at sikre korrekt komprimering, og at der ikke oprettes hulrum (svagheder). Her anvendes forskellige teknikker. Oppustelige blærer, som nogle gange bare er tilbage i rammen, er måske de mest almindelige. Andre eksempler inkluderer skum-eller voksdorn, der kan smeltes væk; fleksible siliciumdorn; og nogle gange endnu mere solide dorne, hvad enten de er plast eller metal.
Allied ‘ s proces er ret almindelig blandt premium og store rammemuligheder. Rammen er lagdelt op omkring et netværk af oppustelige blærer og halvfaste forformer på den ene side af en todelt, clamshell-lignende form, og den anden side af formen er fastgjort ovenpå, når lægningen er afsluttet.
herfra forsegles formen fuldstændigt med en vakuumpose, inden den flyttes over på de-bulkfasen. “De-bulking er en proces mellem lay – up og cure, hvor du anvender vakuum og lidt varme til delen og trækker så meget luft som muligt før hærdning,” forklarede Pickman.
i Allied ‘ s tilfælde fjernes formen derefter fra vakuumposen og placeres i en opvarmet presse. Igen opvarmes rammen indeni for at tillade strømning af harpiks, mens de indre blærer er under tryk for at give endelig sikkerhed for, at korrekt materialekomprimering opnås. Denne hærdningsproces øger det indre tryk trinvist med det formål at skubbe lagene til de yderste dele af formen. Både dette og de-bulking arbejde sammen for at hjælpe med at fjerne luft hulrum, fiber folder, eller andre potentielle stress risers i materialet – alle samtidig fjerne overskydende harpiks.
efter hærdning ekstraheres rammen fra sin form, og de indre luftblærer og præformer fjernes. Frafaldene, sædestængerne og kædestængerne er derefter bundet med den forreste trekant. Disse bindinger er omviklet med yderligere strimler af kulfiber for at give både ekstra strukturel støtte og sømløs overfladefinish, og al denne samling udføres i en jig for at sikre perfekt justering.
nu ligner en ramme, det næste trin er slibning og maling prep. En besværlig proces med fine detaljer sikrer ingen overskydende harpiks eller mærker fra formen er synlige. Især vil producenterne være meget opmærksomme på bindingsledene, som ofte kræver mest behandling fra rammemontering.
på samme tidspunkt finder boringer til vandflaskebure, frontskifterbeslaget og kabelstyringssystemer sted. Med en blanding af nitter (gevindnitter), nitter og Epoksi, der typisk bruges til permanent at anbringe genstandene, tilføjes disse omhyggeligt til områder, der allerede er blevet forstærket under forberedelse under lægningsfasen.
alt i, oprettelsen af en enkelt allieret Alfa-ramme, som er helt produceret internt i USA, siges at tage cirka 24 timers arbejde.
“I faktisk tid tager det cirka 10 dage for en cykel at gå gennem bygningen,” siger Pickman.
når det gøres rigtigt, producerer monokok design et utroligt stærkt og let produkt, alle med minimal overlapning af materialer. Det er af denne grund, plus den måde, at kulfibermekaniske egenskaber kan styres så omhyggeligt, at monokokfremstilling er det øverste valg til opbygning af en ramme med det højeste stivhed / vægtforhold. Hvis du ser på de cykler, der bruges i Verdentur, for eksempel, alle undtagen Colnago C60 fra UAE Team Emirates bruger en modulær monokok fremstillingsteknik.
Monokokkfremstilling er dog ikke uden nogle få ulemper, hovedsagelig relateret til tilgængelighed og omkostninger.
for det første, som beskrevet ovenfor, er denne metode ekstremt arbejdskrævende. Selv en godt bemandet og effektiv fabrik som Allied ‘ s tager relativt lang tid at fremstille en ramme. Dette er en af hovedårsagerne til, at størstedelen af verdens kulfibercykler fremstilles i Asien – når arbejdskraft udgør størstedelen af produktionsomkostningerne, giver det mening at minimere dine arbejdsomkostninger så meget som muligt.
for det andet skal der oprettes specifikke forme til hvert rammedesign, og inden for det kræver hver rammestørrelse også sin egen form. I betragtning af hvordan nogle producenter tilbyder 12 størrelser eller endda flere geometrier for hver størrelse, er det let at se den iboende udgift i denne proces. Ifølge Pickman koster Allied ‘ s støbeinvestering til et nyt ramme-og gaffeldesign på tværs af et fuldt størrelsesområde, herunder ledsagende specifikt værktøj, omkring US$160.000.
for at overvinde dette arbejder mange producenter på en to – eller tre-årig livscyklus for et kulstoframmedesign for at få dækket omkostningerne over en længere periode. Det er en af de vigtigste grunde til, at du ikke ser lignende som kæmpe eller specialiseret komme ud med en ny rammemodel hvert år.
med sådanne værktøjsomkostninger har mindre mærker og producenter svært ved at retfærdiggøre ressourcerne, når der ikke er produktionsmængder til at sikkerhedskopiere investeringen. I mange tilfælde er det Dette, der fører til, at open source eller generiske forme bruges af mindre mærker eller rabatmærker.
rør til rør
Butiksfabrikanter, der specialiserer sig i brugerdefinerede geometrier, passer og layups, finder det ekstremt vanskeligt at fremstille monokok design til en omsættelig pris, så de henvender sig ofte til en anden metode til rammeproduktion kaldet rør-til-rør. I konceptet er det ikke så forskelligt, hvordan svejsede stål -, titanium-og aluminiumsrammer fremstilles.
i denne proces produceres hvert carbonrammerør separat og hentes undertiden direkte fra en carbonrørproducent. Denne metode giver en lavere adgangsbarriere for bygherrer at have kontrol over en rammes geometri, stivhed og kørekvalitet. Valg af rør dikterer de ydeevneegenskaber, som en rammebygger søger, og den tilpassede rørlængde dikterer geometrien.
med rørene valgt og skåret i længden, er de geret for at passe problemfrit med hinanden. Derefter bruges en jig, da rørene er sammenføjet for at skabe en ramme. Bygherrer ofte Epoksi rørene sammen, og derefter bruge pre-cut, pre-preg ark til at pakke rørene sammen og styrke leddene.
nogle mere avancerede metoder vil se rammen derefter lægges i en vakuumpose eller endda en stiv eller fleksibel form for at hjælpe med komprimering, mens andre vil flytte direkte til den endelige forberedelse, når harpiksen hærder.
denne metode er populær til brugerdefinerede geometrirammer, da den tillader en bred vifte af kontrol på specifikke vinkler og rørlængder. Det er dog en proces, der kræver en dygtig tilgang til at sikre langsigtet sikkerhed. Derudover vil der være mere overflødig materialeoverlapning i denne metode end hvad der er muligt med monokokteknikken.
slæbt kulstof
ligesom rør-til-rør-metoden ser slæbte kulstoframmer enestående rør sammenføjet stykke for Stykke for at skabe en ramme. Imidlertid, hvor rør-til-rør-samlinger indpakkes individuelt, slæbte kulstoframmer bruger mere af en plug-and-play – proces, hvor de Gerede rør er bundet til præformede lugs-igen, ligesom deres metalliske analoger.
ofte er lugs af moderne kulstoframmer også kulstof, som på Colnago C60, men det er ikke altid tilfældet. Ligesom rør-til-rør giver slæbekonstruktion generøs fleksibilitet med hensyn til rammegeometri, rammestivhed og kørekvalitet, med mulighederne kun begrænset af, hvilke lugs der er tilgængelige.
et af de mest højteknologiske nylige eksempler er Bastion, ud af Melbourne, Australien, der bruger 3D-trykte titanium lugs til komplet brugerdefineret kontrol med hver ordre. Den originale BMC Teammachine, som den, der blev kørt af Tyler Hamilton på Phonak, brugte aluminiumsknopper med kulstofrør, og meget tidligere end det var Trek banebrydende for masseproduktionen af teknologien med sin 2300 vejramme.
ligesom med rør-til-rør-konstruktion har slæbte rammer imidlertid iboende mere materiale overlapning end monokok, og returnerer derfor et lavere stivhed-til-vægt-forhold.
kvalitetskontrol og test
hvad der ikke er indlysende er de skridt, som nogle producenter tager undervejs for at sikre, at de færdige rammer faktisk opfylder designintentionen – og med andre ord er sikre at ride.
mens der findes nogle industristandarder på dette område, såsom CEN – og ISO – certificeringer, hvad Allied Cycle fungerer-og de fleste andre store mærker-kan betragtes som den mest almindelige praksis. Ud over hyppige visuelle inspektioner vejes individuelle dele og underenheder individuelt som en måde at sikre, at den korrekte mængde harpiks er infunderet i hver komponent. Delvis takket være Allied ‘ s mindre produktionsmængder spores råmaterialer også.
tysk rammeleverandør Canyon går endda så langt som at inspicere gafler og rammer med en røntgenmaskine, som giver en mere detaljeret, ikke-destruktiv måde at undersøge færdige kompositdele på.
en færdig ramme
alt sagt og gjort, at skabe en kulstoframme er en tidskrævende proces, og en, der forbliver overraskende praktisk. For et materiale med så meget alsidighed i brugen er der ingen tvivl om, at djævelen er i detaljerne – især når det kommer til at skabe noget, der er lige så let, stærkt, kompatibelt og sikkert.
langtfra har ikke meget ændret sig i fremstillingen af carboncykler gennem årene. Men se dybere, og du vil se den finere forståelse af materialeapplikationen og forbedret kvalitetskontrol har ført til et produkt, der er bedre end det, der var tilgængeligt i de forløbne år. Uanset hvilken æstetisk form en ramme tager, er det sikkert at sige, at kulfiberens sande ydeevne ligger langt under overfladen.
