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カーボンファイバーフレームを提供する自転車ブランドの任意の数から任意のマーケティング材料をピックアップし、あなたが使用される材料や工法に より深く見てみると、非常に多くのブランドが実際に同様のことについて話していることがわかりますが、最終的な結果はしばしば非常に多様です。
ミシュランの星のレストランのシェフがあなたを教えてくれるように、原料は最終製品の単一の側面に過ぎません。 別のシェフにそれらの同一の成分を与え、結果は確かに別のものになります。 それは悪くないかもしれませんが、味、質感、プレゼンテーションはすべて著しく異なります。 フレームを作るのにカーボン繊維を使用して異なっていないし、この類推では、詳しい工学、正しい物質的な選択、レイアップの設計および製造業の一貫性はすべて専門家から偽装者、および互いからの専門家を分けるために結合する。
では、フレームを作るために炭素繊維をどのように正確に使用していますか？ さまざまな工法は何ですか？ サイクリングの世界では、この用語自体が誤解を招くのはなぜですか？ そして、原材料が同じであれば、なぜあるフレームが別のフレームよりも優れているのですか？ これ以上のすべてを探求するために、私たちは、フレーム製造の黒魔術に関する洞察を得るために、アライドサイクルワークス（HIA Veloのブランド）の米国ベースのカーボンマニュファクチャリングウィザードとLuescher TeknikのオーストラリアベースのカーボンリペアスペシャリストRaoul Luescherからの助けを得ました。
炭素繊維とは何ですか？
フレームがどのようになるかを詳しく知る前に、原材料の説明から始める必要があります。 炭素繊維は、炭素原子の長い文字列に様々な加熱ステップを介して処理されるポリマーとしての旅を開始します。 これらの長い文字列、またはフィラメントは、平均的な人間の髪よりも10-20倍小さい直径それぞれ約5-10ミクロンに座っています。
これらの個々のフィラメントは、薄いリボン、または牽引を形成するために一緒に束ねられています。 そして、糸が紐になり、それがロープになるのと同じように、炭素フィラメントは非常に軽量で強いものを形成するために一緒に働きます。
牽引あたりに使用されるフィラメントの数は、サイクリングの世界では一般的な指標であり、通常は数千で測定されます。 例えば、3,000個のフィラメントを持つ炭素トウは、典型的には3Kの名称を与えられ、6,000個のフィラメントは6Kであるなどである。
個々の繊維の実際の強度と剛性も、剛性が弾性率として記述されているため、変化する可能性があります。 より高い係数はますますフィラメントの工程を精製し、各フィラメントを更にそして更に除去し、漸進的にそれをより滑らかおよびより薄くさせる より多くの資源集約的な間、これらのより薄いフィラメントはまた牽引でより堅く一緒に坐り、牽引の剛さを全面的に高める。 しかし、より高い弾性率は、各フィラメントがより薄いので、脆性の増加と関連している。
モジュラスは、多くの場合、マーケティング材料に周り投げ用語であり、知っておくべき重要なことは、少なくとも自転車業界内で、モジュラスが記述されている方法に標準化がないことである：あるブランドの主張されている”超高モジュラス”材料は、実際には別のブランドの”低モジュラス”炭素よりも柔軟性があるかもしれません。 さらに重要なのは、これらの様々な炭素剛性が最も重要であることがどのように適用されるかであり、最高のフレームは常にモジュリの混合を使用します。
炭素から複合体へ
炭素繊維の牽引は、この段階では単に乾燥した柔軟な材料であるため、それ自体ではほとんど有用ではありません。 これは、より多くの誤解を招く要素の一つが明らかにされていることをここにあります。 循環で使用されるすべてのカーボン繊維材料は二部エポキシ樹脂と点で、通常結ばれなければなりません。 炭素繊維に樹脂を添加すると、材料が複合体に変わり、より具体的な工学用語である炭素繊維強化ポリマー（CFRP）が使用されます。 材料がまた通常層状であるので、複合体は頻繁に積層物と、余りに言われます。
炭素繊維は非常に強く、軽いが、樹脂は比較的重く、弱い。 このような複合材の目標は、炭素繊維を所定の位置に保持するためにできるだけ少ない樹脂を使用することです。 フィラメント間の小さな隙間が埋めるためにより少ない樹脂を必要とするので、より高い弾性率の炭素が本当に輝くのはここにあります。
一部のメーカーは、ガラスやカーボンナノチューブ（微視的フィラメント）を注入した複合エポキシなど、他の繊維タイプや変性樹脂の使用により、完成した構造の性能特性を変化させる。 Allied Cycle Worksは、フレームにInnegraとして知られている補強材を使用していますが、他のものは積層体の耐衝撃性を高めるためにaramidなどの材料を含むことが知られ
ほとんどのフレームメーカーは、未硬化樹脂を予め含浸させた炭素繊維のシートでフレームを製造しています-より良いpre–pregとして知られています-非粘着性の紙のバッキングに適用され、大きなロールに出荷されます。 樹脂は熱と活動化し、従ってこれらのpre-pregシートは必要とされるまでフリーザーで貯えられる。 このプロセスはフレーム中の樹脂の適用範囲、位置のより大きく有限な制御、および減らされた労働の時間の保障を助ける。
ほとんどの場合、これらのロールの繊維はすべて単方向であり、すべての繊維は平行な方向に走っています。 この配向は、一方の方向に最大の強度および剛性を提供するが、直交方向に最小の強度および剛性を犠牲にする。 あるいは、トウは、様々な角度で、しばしば十字に交差したパターンで一緒に織ることができ、その結果、材料は複数の方向において均等に強くなり得る。
“単方向（UD）プリプレグは、特定の特性が高く、特定のファイバ角度をレイアップする方が簡単であるため、一般的です”とLuescher氏は述べています。 “複雑な幾何学の位置で置き易く、負荷がより少なく定義されるところである。 それはまた繊維の機械連結が原因で薄片に裂けることはより少なく本当らしいのでよりよい損傷の許容を提供する。 編まれた生地は挿入物、最下ブラケットの貝、ヘッド管のようなフレーム中の位置で頻繁に使用され、穴がびんの台紙、ケーブルガイド、等のためにあくところは”
プリプレグはサイクリング業界で最も一般的な材料ですが、他の建設方法は乾燥繊維から始まります。
フィラメント巻線は、例えば、名目上円筒形の固体マンドレルの周りに乾燥炭素繊維のシートまたはリボンを包む。 樹脂は包むプロセスの間に加えられ、次に全体のアセンブリは熱および圧力の下で治ります。
さらに別の方法では、時間は乾いた炭素牽引から独自の炭素管を社内で織ります。 その乾燥した管は型でそれからしっかり止められ、樹脂はプロセス時間呼出し樹脂の移動の鋳造物を使用して高圧の下で注入されます。
構造物の最終形状を形成するために使用される方法にかかわらず、最良の最終結果を得るために、適切なタイプの炭素繊維（および樹脂）が適切な場所 フレーム設計者は、剛性対脆性、および重量対耐久性など、幅広いパラメータの重量を量る必要があります。 耐衝撃性、および当然費用は同等化に、余りに考慮しなければならない。 一般に、しかし、カーボンフレームの設計可能性は広く開いて、正しくされたとき、カーボンフレームの平均余命はほぼ無限である場合もある。
一言で言えば、フレームを設計することは簡単な偉業ではないので、ここで主題の正義を行うことは不可能です。 フレームメーカーやモデルに関係なく、プロセスは広範なものであり、異なるブランド間で大きく異なります。
ほとんどの炭素繊維フレームは、おそらく同様の起源を持っています–ブランドは、フレームの目的を定義し、それのための需要があること。 結局のところ、あなたが広範なリソースを投資するつもりなら、あなたはそれを商業化することができることを確認した方が良いでしょう。
次のステップは、ブランドが新しいフレームを達成するために必要なものを定義することを見るでしょう。 この時点での炭素繊維自転車フレームの成熟度を考えると、それは通常、変化を推進する継続的な改善であり、まれに本物の革新が達成されることはあ これは、数年ごとに、ブランドがすでに非常に洗練された製品の卸売再設計ではなく、反復的かつ増分的な改善を伴う既存のモデルを更新するのを見 これは、炭素繊維の使用における継続的な開発の兆候であるため、過去の間違いや以前の設計上の制限から学んだ結果と同じくらいです。
Luescherは、炭素繊維フレームの進歩は、ほとんどがより一貫したプロセス制御にかかっていると説明しています。
「多くの場合、マーケティング部門の焦点である繊維グレードの進歩がありましたが、信頼性の高い圧縮と成形は、原材料の変更だけで理論的な利益を “圧縮の高められた均等性は減らされた欠陥、より一貫した積層の特性、およびそれ故に高められた構造性能をもたらした。 より一貫した積層物を作り出せることによって構造モデルはよりよく前に要求された安全の同様に大きい要因を要求しないより軽く、より強く、”
Allied Cycle Worksのproduct and engineering directorであるSam Pickman氏によると、デジタル開発は最初のコンセプトが完成した後に大きな役割を果たしているという。
“ここでは、3D FEA解析、必要に応じてCFD、そして最も重要なことに、どのようにそれを作るかを含む主要な方法で設計に飛び込みます。 私たちは、フレームを分割するかどうか、どこで分割するか、どのような材料を使用するか、それをどのように事前に形成するか、ツーリングをどのように見せたいかなどを決定します。”
Rideableプロトタイプは高価であり、通常はプロセスのずっと後に来ます。 Pickmanによると、Alliedはまず、部品の適合性、一般的な美学、および製造計画をテストするために自転車の3D印刷されたサンプルを使用しています。
“これをクリアすると、ツーリングの設計と製造が開始され、プライマニュアルが作成されます。 ツールが完成したら、部品開発を開始します。 これは私達が物理的に部品を作り、壊しているときである。 すべてのデジタル開発の後、私たちはかなり自信を持っていますが、通常、必要なパフォーマンスを得るためにはいくつかの改訂が必要です。 テストに合格すると、バイクに乗ってフィードバックを収集し始めます。 同時に、私達は新しいプロセスのスタッフを訓練し始めます。 私たちがすべてをクリアしたら、私たちはねじれを解決するためにパイロットランを起動します。”
製造プロセス
炭素繊維と樹脂の原料を自転車のフレームに変える方法はいくつかあります。 型破りな技術を持ついくつかのニッチプレーヤーがありますが、業界の大半はモノコック方式を採用しています。
モノコック製造
現代の炭素繊維自転車フレームを記述するために一般的に使用される用語は、モノコックのデザインは、効果的にアイテムがその単一の皮を介してその負荷と力を処理することを意味します。 実際には、真のモノコックロードバイクフレームは非常にまれであり、サイクリングで見られるものの大部分は、シートステーとチェーンステーが別々に生産され、後に一緒に接着されたモノコックフロントトライアングルのみを備えています。 これらは、一度完全なフレームに組み込まれ、より正確にセミモノコック、またはモジュラーモノコック、構造と呼ばれています。 これは同盟された周期の仕事によって使用される技術自転車工業の共通遠くにであり。
業界の用語が正しいかどうかにかかわらず、通常、最初のステップでは、プレプレグカーボンの大きなシートが個々の部分に切断され、それぞれが金型内の特定の向きに配置されていることが確認されます。 Allied Cycle Worksの場合、炭素の特定の選択、レイアップ、および向きはすべて、レイアップスケジュールとして知られているプライマニュアルにまとめられます。 これはとりわけpre-pregカーボンの部分が型の内でどこに行くか丁度輪郭を描く。 すべてのピースに番号が付けられているジグソーパズル、と考えてください。
炭素繊維フレームは、安価で製造が容易であると認識されることが多いが、現実には、この積層プロセスは非常に時間がかかり、高価であるというこ Allied Cycle Worksによると、Alfa road framesetは、フレームに326個のpre-pregカーボンピースを、フォークに170個を使用しています。
“層が樹脂の粘度が低下したときにどのように展開するかを別の助けにする方法は、”Pickman氏は説明した。 “ツールをスライドさせて埋めるのが簡単になればなるほど、より良い統合が得られます。 プレフォームサイズは、プライが最終的な形状に到達するために長い道のりを移動する必要がないことを保証するだけです。 彼らが移動する必要があるほど、統合の問題を含むより多くの問題が得られます。”
モデルおよびサイズ特定であるために作られて型はフレームの外面そして形を定める。 これらの型は鋼鉄かアルミニウムの普通機械で造られ、繰り返された使用のためにそして分散なしで造られる。
しかし、外面は物語の一部に過ぎず、正しい圧縮を確実にし、空隙（弱点）が作られないように、炭素も内側から圧縮する必要があります。 ここでは、様々な技術が使用される。 時々ちょうどフレームに残っている膨脹可能なぼうこうは多分共通です。 他の例は溶けることができる泡かワックスの心棒を含んでいます;適用範囲が広いケイ素の心棒;そして時々さらに固体心棒、プラスチックまたは金属
Alliedのプロセスは、プレミアムおよび大規模なフレームオプションの中ではかなり一般的です。 フレームは二つの部分から成った、クラムシェルそっくり型の1つの側面の膨脹可能なぼうこうそして半固体前形態のネットワークのまわりで層になり、型の反対側は上で位置が完了すればしっかり止められています。
ここから、金型は真空バッグで完全に密封されてから脱バルク相に移動されます。 “デバルキングは、レイアップと硬化の間のプロセスであり、真空と一部の熱を部品に適用し、硬化する前にできるだけ多くの空気を引き出す”とPickman氏は説
Alliedの場合、金型は真空バッグから取り出し、加熱されたプレスに入れます。 再度、フレームの内部は正しい物質的な圧縮が達成されること最終的な励ましを与えるために内部ぼうこうは加圧されるが樹脂の流れを可能にする この治癒プロセスは型の最も外側の部分に層を押すことの目的と内部圧力を漸進的に増加します。 余分な樹脂を取除いている間これおよびde-bulkingは両方材料の空気空間、繊維の折目、または他の潜在的な圧力の暴徒の除去を助けるために一緒に働く–すべ
治癒の後で、フレームは型から得られ、内部空気ぼうこうおよびpre-formsは取除かれます。 ドロップアウト、シートステー、およびチェーンステーは、フロントトライアングルと結合されます。 それらの結束はカーボン繊維の付加的なストリップと余分構造サポートおよび継ぎ目が無い表面の終わりを両方提供するためにoverwrapped、完全な直線を保障
今フレームのように見える、次のステップは、サンディングと塗料の準備です。 細かいディテールの困難なプロセスは、金型からの余分な樹脂やマークが見えないことを保証します。 特に、製造業者は、しばしばフレームアセンブリから最も多くの処理を必要とする接着接合部に非常に細心の注意を払う。
この時点で、水ボトルケージ、フロントディレイラーマウント、ケーブル管理システムの掘削が行われます。 Rivnuts（通されたリベット）、リベットおよび永久に項目を添付するのに普通使用されるエポキシの混合物がこれらは位置の段階の間に準備で既に補強された区域に注意深く加えられる。
すべての中で、完全に米国で社内で生産されている単一の同盟アルファフレームの作成は、労働で約24時間かかると言われています。
「実際には、自転車が建物を通過するのに約10日かかります」とPickman氏は述べています。
モノコックのデザインは、材料の重複を最小限に抑えた、信じられないほど強く軽量な製品を作り出します。 それはカーボン繊維の機械特性がそう注意深く制御することができる方法とこのような理由のため、モノコックの製造業が重量比率に最も高い剛さのフレームを造るための上の一突きであることである。 あなたが世界で使用されているバイクを見ると例えば、UAEチームエミレーツのColnago C60を除くすべては、モジュラー-モノコック製造技術を使用しています。
モノコックの製造には、主にアクセシビリティとコストに関連するいくつかの欠点がないわけではありません。
まず、上で詳述したように、この方法は非常に労働集約的です。 Allied’sのような十分に人員を配置され、有効な工場はフレームを作り出すのに比較的長い時間をかける。 これは、世界の炭素繊維自転車の大部分がアジアで作られている主な理由の1つです–労働が製造コストの大部分を占める場合、人件費を可能な限り最小化することが理にかなっています。
第二に、フレームデザインごとに特定の金型を作成する必要があり、その中で、各フレームサイズにも独自の金型が必要です。 いくつかのメーカーが12のサイズ、あるいは各サイズに複数の形状を提供する方法を考慮すると、このプロセスに固有の費用を見るのは簡単です。 Pickmanに従って、特定の工具細工を伴うことを含む大型の範囲を渡る新しいフレームおよびフォークの設計のための同盟の形成の投資はUS$160,000のまわりで要
これを克服するために、多くのメーカーは、長期にわたるコストを回収するために、炭素フレーム設計のための二、三年のライフサイクルに取り組んでいます。 それはあなたが毎年新しいフレームモデルで出てくる巨人や専門の同類が表示されない主な理由の一つです。
このようなツーリングコストでは、小規模なブランドやメーカーは、投資をバックアップする生産量がない場合、リソースを正当化するのに苦労しています。 多くの場合、これはオープンソースまたは一般的な金型が小規模または割引ブランドで使用されるようになるものです。
Tube to tube
カスタムジオメトリ、フィット、レイアップを専門とするブティックメーカーは、モノコックデザインを市場価格で生産することは非常に困難であるため、チューブ-ツー-チューブと呼ばれるフレーム製造の別の方法に目を向けることが多い。 概念では、それは溶接された鋼鉄、チタニウムおよびアルミニウムフレームがいかにになされるか異なっているすべてではない。
このプロセスでは、各炭素フレームチューブは別々に製造され、時には炭素チューブメーカーから直接供給されることがあります。 この方法はフレームの幾何学、剛さおよび乗り心地の質の制御がある建築者のための記入項目により低い障壁を与える。 管の選択はフレームビルダーが追求する性能の特性を定め、カスタマイズされた管の長さは幾何学を定める。
チューブを選択して長さにカットすると、それらは互いにシームレスに収まるように留め釘付けになります。 その後、チューブを一緒に接合してフレームを作成するために治具を使用します。 建築者は頻繁に管を一緒にエポキシ化し、次に管を一緒に包み、接合箇所を補強するのにpre-cutのpre-pregシートを使用します。
いくつかのより高度な方法は、他の人が樹脂が硬化すると、最終的な準備にまっすぐに移動しますが、真空バッグ、あるいは剛性や柔軟な金型に入れ
この方法は特定の角度および管の長さの制御の広い範囲を可能にするので注文の幾何学フレームのために普及している。 しかし、それは長期的な安全性を確保するために熟練したアプローチを必要とするプロセスです。 さらに、モノコック技術で可能なものよりも、この方法ではより冗長な材料の重複があります。
Lugged Carbon
lugged carbon framesは、tube-to-tube方式と同様に、単一のチューブがピースごとに結合されてフレームを作成します。 但し、管に管の接合箇所がそれぞれ包まれるところで、留め継ぎされたカーボンフレームは留め継ぎされた管が前形作られたラグナットに結ばれるプラグアンドプレイプロセスの多くを使用する-再度、ちょうど金属アナログのように。
コルナゴC60のように、現代のカーボンフレームのラグもカーボンであることがよくありますが、これは必ずしもそうではありません。 管に管のように、lugged構造はどんなラグナットが利用できるかによって限られる可能性をフレームの幾何学、フレームの剛さおよび乗車の質の点では寛大
最近の最もハイテクな例の一つは、オーストラリアのメルボルン出身のBastionであり、各注文で完全なカスタムコントロールのために3Dプリントチタンラグを使用している。 フォナックに乗っていたタイラー-ハミルトンのような元のBMCチームマシンは、カーボンチューブを備えたアルミニウム製のラグを使用しており、それよりもはるかに早く、トレックは2300ロードフレームで技術の量産を開拓した。
チューブ対チューブ構造と同様に、ラグフレームは本質的にモノコック構造よりも多くの材料の重なりを特徴とし、したがって剛性対重量比が低い。
品質管理とテスト
明らかではないのは、完成したフレームが実際に設計意図を満たしていること、つまり安全に乗ることを保証するために、メーカー
CENやISO認証など、この分野にはいくつかの業界標準が存在しますが、Allied Cycle Works（および他のほとんどの主要ブランド）が行うことは、最も一般的な慣行と 頻繁な目視検査に加えて、個々の部品および小組立部品はそれぞれ樹脂の適切な量が各部品に注ぎこまれたことを保障する方法として重量を量られ Alliedの生産量が少ないことのおかげで、原材料も同様に追跡されます。
ドイツのフレームサプライヤー Canyonは、完成した複合部品を検査するためのより詳細で非破壊的な方法を提供するx線装置でフォークとフレームを検査す
完成したフレーム
すべてが言って完了し、カーボンフレームを作成することは時間のかかるプロセスであり、驚くほど実践的なものです。 使用法のそんなに多様性の材料のために、特に均等に軽く、強く、迎合的で、安全である何かを作成することに関しては悪魔が細部にある疑いがない。
遠くから見ると、長年にわたってカーボンバイクの製造にはあまり変わっていません。 しかし、より深く見ると、材料アプリケーションの詳細な理解と品質管理の改善が、過去数年で利用可能だったものよりも優れた製品につながってい 審美的な形フレームが取る、カーボン繊維の本当の性能が表面の下によくあると言うことは安全ではない。
