Dette innholdet er brakt til Deg av Allied Cycle Works. Finn ut mer om våre retningslinjer for sponset innhold her.
Plukk opp markedsføringsmateriell fra et hvilket som helst antall sykkelmerker som tilbyr en karbonfiberramme, og du er sikker på å bli oversvømt med vag sjargong om materialene og byggemetodene som brukes. Ta en dypere titt, og du vil finne at så mange merker faktisk snakker om lignende ting, og likevel er sluttresultatet ofte så variert.
akkurat som en kokk på En Michelin-Stjerne restaurant vil fortelle deg, er råvarene bare et enkelt aspekt av sluttproduktet. Gi de samme ingrediensene til en annen kokk og utfallet vil sikkert være en annen. Det kan ikke være verre, men smaker, teksturer og presentasjon vil alle variere merkbart. Å bruke karbonfiber til å lage en ramme er ikke annerledes, og i denne analogien kombinerer detaljert prosjektering, riktig materialvalg, layupdesign og produksjonskonsistens for å skille imitatorene fra ekspertene, og til og med ekspertene fra hverandre.
så hvordan brukes karbonfiber til å lage en ramme? Hva er de forskjellige byggemetoder? Hvorfor er begrepet i seg selv så misvisende i verden av sykling? Og hvis råvarene er de samme, hvorfor utfører en ramme bedre enn en annen? For å utforske alt dette og mer, fikk vi hjelp fra usa-baserte carbon manufacturing wizards Hos Allied Cycle Works (et MERKE AV HIA Velo) og Australsk-baserte carbon repair specialist Raoul Luescher Fra Luescher Teknik, for å få deres innsikt i den svarte magien i rammeproduksjon.
hva er karbonfiber?
før vi går i dybden om hvordan en ramme kommer til å være, bør vi starte med en forklaring på råmaterialet. Karbonfiber starter sin reise som en polymer, som behandles gjennom ulike oppvarmingstrinn i lange strenger av karbonatomer. Disse lange strenger, eller filamenter, sitte på ca 5-10 mikron i diameter hver, 10-20 ganger mindre enn den gjennomsnittlige menneskehår.
disse individuelle filamenter er deretter bunched sammen for å danne et tynt bånd, eller slep. Og mye som hvordan en tråd blir en streng, som deretter blir et tau, karbon filamenter arbeide sammen for å danne noe ekstremt lett og sterk.
antall filamenter som brukes per slep er en vanlig metrisk i sykkelverdenen, og måles vanligvis i tusenvis. For eksempel er en karbon slep med 3000 filamenter vanligvis gitt betegnelsen PÅ 3K; 6000 filamenter ER 6K, og så videre.
faktisk styrke og stivhet hos de enkelte fibrene kan også variere, med stivheten som beskrives som modulus. Høyere modulus oppnås ved stadig å raffinere filamentproduksjonsprosessen, strippe hvert filament lenger og lenger ned, og gradvis gjøre det jevnere og tynnere. Mens mer ressurskrevende, disse tynnere filamenter også sitte tettere sammen i et slep, og øke stivheten av slep generelle. Imidlertid er høyere modul forbundet med økt brittleness, siden hver filament er tynnere.
Modulus er et begrep som ofte kastes rundt i markedsføringsmateriell, og det viktigste å vite er at det ikke er noen standardisering i hvordan modulus er beskrevet, i hvert fall innen sykkelindustrien: en merkets påståtte «ultra high modulus» – materiale kan faktisk være mer fleksibelt enn et annet merkets «low modulus» – karbon. Enda viktigere, det er hvordan disse varierende stivhetene av karbon brukes som betyr mest, og de beste rammene vil alltid bruke en blanding av modul.
fra karbon til kompositt
Tau av karbonfiber er neppe nyttig av seg selv, som på dette stadiet er de bare tørre, bøyelige biter av materiale. Det er her at en av de mer misvisende elementene blir avslørt. Alt karbonfibermateriale som brukes i sykling må være bundet i noen henseende, vanligvis med en todelt epoksyharpiks. Tilsetning av harpiks til karbonfiber gjør materialet til et kompositt, eller for å bruke den mer spesifikke tekniske termen, karbonfiberforsterket polymer (CFRP). Som materialet er også vanligvis lagdelt, er kompositt ofte referert til som et laminat, også.
hvor karbonfiber er ekstremt sterk og lett, er harpiks relativt tung og svak. Målet med et slikt kompositt er å bruke så lite harpiks som mulig for å holde karbonfiberen på plass. Det er her at høyere modulus karbon virkelig skinner, siden de mindre hullene mellom filamenter krever mindre harpiks å fylle.
Noen produsenter vil variere ytelsesegenskapene til den ferdige strukturen ved bruk av andre fibertyper og modifiserte harpikser, for eksempel komposittepoksier infundert med glass eller karbonnanorør (mikroskopiske filamenter). Allied Cycle Works bruker et forsterkende materiale kjent som Innegra i sine rammer, mens andre har vært kjent for å inkludere materialer som aramid for å øke slagfastheten til laminatet.
de fleste rammeprodusenter bygger rammer med ark av karbonfiber som er preimpregnert med uherdet harpiks-bedre kjent som pre – preg-påført på en non-stick papirunderlag, og sendes på store ruller. Harpiksen aktiveres med varme, og så lagres disse pre-preg arkene i en fryser til det trengs. Denne prosessen bidrar til å sikre jevn harpiks dekning gjennom hele rammen, større endelig kontroll over lay-up, og redusert arbeidstid.
i de fleste tilfeller er fibrene i disse rullene ensrettede, med alle fibrene i en parallell retning. Denne orienteringen gir maksimal styrke og stivhet i en retning, men på bekostning av minimal styrke og stivhet i ortogonal retning. Alternativt kan tauene veves sammen i forskjellige vinkler, ofte i et kryss-krysset mønster, slik at materialet kan være like sterk i flere retninger.
«Enveis (UD) pre-preg er vanlig fordi den har høyere spesifikke egenskaper og er lettere å legge opp en bestemt fiber vinkel,» sier Luescher. «er lettere å legge opp på komplekse geometri steder og hvor belastningene er mindre definert. Det gir også bedre skadetoleranse, da det er mindre sannsynlig å delaminere på grunn av mekanisk sammenkobling av fibrene. Vevde stoffer brukes ofte på steder i hele rammen, for eksempel innsatser, bunnbrakettskjell, hoderør og hvor hull bores for flaskefester, kabelførere, etc.»
mens prepreg er det desidert vanligste materialet i sykkelbransjen, starter andre byggemetoder med tørre fibre.
Filamentvikling, for eksempel, vikler ark eller bånd av tørr karbonfiber rundt en solid dorn som er nominelt sylindrisk i form. Harpiks påføres under innpakningsprosessen, og deretter herdes hele forsamlingen under varme og trykk.
I enda en metode vever Time sine egne karbonrør internt fra tørr karbon slep – som hvordan sokker er laget. Det tørre røret festes deretter i en form, og harpiks injiseres under høyt trykk ved hjelp av en Prosesstid kaller Harpiksoverføringsstøping.
uansett hvilken metode som brukes Til å danne en strukturs endelige form, er det opp til ingeniøren å sikre at de riktige typene karbonfiber (og harpiks) brukes på de riktige stedene og i riktig retning for det beste sluttresultatet. Rammedesignere må veie et bredt spekter av parametere, for eksempel stivhet vs brittleness, og vekt vs holdbarhet. Impact motstand, og selvfølgelig kostnader, må faktor i ligningen, også. Generelt er imidlertid designmulighetene for en karbonramme vidåpne, og når det gjøres riktig, kan forventet levetid for en karbonramme være nesten uendelig.
designprosessen i et nøtteskall
Å Designe en ramme er ingen rask prestasjon, og det er derfor umulig å gjøre emnet rettferdighet her. Uansett ramme merke eller modell, prosessen er en omfattende en og varierer sterkt mellom de ulike merkene.
de fleste karbonfiberrammer har uten tvil en lignende opprinnelse-merket definerer formålet med rammen og at det er etterspørsel etter det. Tross alt, hvis du skal investere omfattende ressurser, bør du være sikker på at du kan kommersialisere den.
det neste trinnet vil se merker definere hva den nye rammen må oppnå. Gitt modenheten til karbonfiber sykkelrammer på dette punktet, er det vanligvis kontinuerlig forbedring som driver forandring, og sjelden oppnås ekte innovasjon. Det er derfor hvert par år du ser en merkevare oppdatere en eksisterende modell med iterative og inkrementelle forbedringer, snarere enn engros designendringer av produkter som allerede er ganske raffinert. Dette er like mye et resultat av å lære av tidligere feil eller tidligere designbegrensninger, som det er et tegn på kontinuerlig utvikling i bruken av karbonfiber.
Luescher forklarer at fremgangen i karbonfiberrammer hovedsakelig er ned til mer konsistent prosesskontroll.
» selv om det har vært fremskritt i fiberkvaliteter, som ofte er fokus for markedsavdelingene, oppveier pålitelig komprimering og støping de teoretiske gevinsten fra en råvareendring alene, » sa han. «Den økte ensartetheten i komprimeringen har ført til reduserte feil, mer konsistente laminategenskaper og dermed økt strukturell ytelse. Ved å kunne produsere mer konsistente laminater, er strukturelle modeller bedre i stand til å optimalisere rammeoppsettet for å produsere lettere, sterkere og mer utmattingsbestandige rammer som ikke krever så stor sikkerhetsfaktor som tidligere nødvendig.»
Ifølge Sam Pickman, direktør for produkt og engineering Ved Allied Cycle Works, spiller digital utvikling en enorm rolle etter at det første konseptet er ferdigstilt.
«Her dykker vi inn i design på en stor måte, inkludert 3D FEA-analysen, CFD om nødvendig, og viktigst hvordan vi skal gjøre det. Vi bestemmer om og hvor rammen skal deles opp, hvilke materialer vi vil bruke, hvordan vi vil forhåndsform det, hva vi vil at verktøyet skal se ut, og så videre.»
Rideable prototyper er dyre, og kommer vanligvis mye senere i prosessen. Ifølge Pickman bruker Allied først EN 3d-trykt prøve av sykkelen for å teste komponenttilpasning, generell estetikk og en produksjonsplan.
» når vi fjerner dette, starter verktøydesign og produksjon, og laghåndbøkene opprettes. Når verktøyene er ferdige, begynner vi delutvikling. Dette er når vi fysisk lager og bryter deler. Etter all den digitale utviklingen er vi ganske sikre, men noen få revisjoner er vanligvis nødvendige for å få ytelsen vi trenger. Når vi passerer testing, begynner vi å sykle og samle tilbakemelding. Samtidig begynner vi å trene ansatte på de nye prosessene. Når vi har ryddet alt, lanserer vi en pilotkjøring for å trene kinks.»
Produksjonsprosesser
det finnes en rekke måter å gjøre de rå ingrediensene av karbonfiber og harpiks til en sykkelramme. Mens det er noen nisje spillere med ukonvensjonelle teknikker, de aller fleste av industrien har vedtatt monocoque metoden.
Monocoque manufacturing
et begrep som ofte brukes til å beskrive moderne karbonfiber sykkelrammer, betyr monocoque design effektivt at varen håndterer sine belastninger og krefter gjennom sin enkelt hud. I virkeligheten er ekte monocoque road sykkelrammer ekstremt sjeldne, og flertallet av det som ses i sykling, har bare en monocoque front triangle, med setestag og kjedestag produsert separat og senere bundet sammen. Disse, når bygget inn i en komplett ramme, er mer korrekt betegnet en semi-monocoque, eller modulær monocoque, struktur. Denne teknikken som Brukes Av Allied Cycle Fungerer, og er langt unna den vanligste i sykkelbransjen.
uansett om bransjens terminologi er riktig, ser de første trinnene vanligvis store ark pre-preg karbon kuttet i individuelle stykker, som hver er plassert i en bestemt retning i en form. Når Det gjelder Allied Cycle Works, går det spesifikke valget av karbon, layup og orientering sammen i en ply manual, ellers kjent som layup schedule. Dette skisserer spesifikt nøyaktig hva biter av pre-preg karbon gå der i formen. Tenk på det som et puslespill, hvor hver brikke er nummerert.
Karbonfiberrammer oppfattes ofte som billige og enkle å produsere, men virkeligheten er at denne lagdelingsprosessen er ekstremt tidkrevende og kostbar. I Henhold Til Allied Cycle Works bruker Alfa road frameset 326 stykker av individuelle pre-preg karbonstykker i rammen og 170 i gaffelen, som alle er nøye lagt for hånd, i en bestemt rekkefølge og i flere lag, etter ingeniørens håndbok.
«måten lagene lå på en annen hjelpemidler i hvordan de unfurl inn i når harpiks viskositet synker,» forklarte Pickman. «Jo lettere de kan skyve og fylle verktøyet, desto bedre konsolidering får du . Pre-form størrelse er bare å sikre at lagene ikke trenger å flytte en lang vei å komme til sin endelige form. Jo mer de trenger å flytte, jo flere problemer får du, inkludert konsolideringsproblemer.»
laget for å være modell-og størrelsesspesifikke, formen dikterer rammens ytre overflate og form. Disse formene er typisk maskinert av enten stål eller aluminium, bygget for gjentatt bruk og uten varians.
den ytre overflaten er imidlertid bare en del av historien, og karbonet må også komprimeres fra innsiden for å sikre korrekt komprimering og at det ikke oppstår tomrom (svakheter). Her brukes ulike teknikker. Oppblåsbare blærer, som noen ganger bare er igjen i rammen, er kanskje den vanligste. Andre eksempler er skum-eller voksdorer som kan smeltes bort; fleksible silisiumdorer; og noen ganger enda mer solide dorer, enten de er plast eller metall.
Allieds prosess er ganske vanlig blant premium og store rammealternativer. Rammen er lagdelt opp rundt et nettverk av oppblåsbare blærer og halvfaste former på den ene siden av en todelt, clamshell-lignende form, og den andre siden av formen er festet på toppen når opplegget er fullført.
herfra er formen helt forseglet med en vakuumpose før den flyttes til de-bulkfasen. «De-bulking er en prosess mellom oppsett og kur hvor du bruker vakuum og litt varme til delen og trekker ut så mye luft som mulig før herding,» Forklarer Pickman.
I Allieds tilfelle fjernes formen fra vakuumposen og plasseres i en oppvarmet presse. Igjen oppvarmes rammen innvendig for å tillate strømmen av harpiks, mens de indre blærene trykkes for å gi endelig forsikring om at riktig materialkomprimering oppnås. Denne herdeprosessen øker det indre trykket trinnvis med målet om å skyve lagene til de ytre delene av formen. Både dette og de-bulking arbeider sammen for å eliminere luft hulrom, fiber bretter, eller andre potensielle stress stigerør i materialet – alt mens du fjerner overflødig harpiks.
etter herding blir rammen ekstrahert fra formen, og de indre luftblærene og forformene fjernes. Dropouts, setestag og kjedestag er deretter bundet med den fremre trekanten. Disse bindingene er overwrapped med ekstra strimler av karbonfiber for å gi både ekstra strukturell støtte og sømløs overflatefinish, og all den samlingen utføres i en jig for å sikre perfekt justering.
nå ser ut som en ramme, er neste trinn sliping og maling prep. En krevende prosess med fin detaljering sikrer at ingen overflødig harpiks eller merker fra formen er synlige. Spesielt vil produsentene være svært oppmerksom på bindingsleddene, som ofte krever mest behandling fra rammemontering.
på samme tidspunkt finner boringer for vannflaskebur, frontgirfeste og kabelstyringssystemer sted. Med en blanding av rivnuts( gjengede nagler), nagler og epoxy som vanligvis brukes til permanent å feste elementene, legges disse nøye til områder som allerede er forsterket under forberedelse under oppleggstrinnet.
Alt i, etableringen av en Enkelt Alliert Alfa ramme, som er helt produsert internt i USA, sies å ta ca 24 timer i arbeid.
» i sanntid tar det omtrent 10 dager for en sykkel å gå gjennom bygningen,» sier Pickman.
når det gjøres riktig, produserer monocoque design et utrolig sterkt og lett produkt, alle med minimal overlapping av materialer. Det er av denne grunn, pluss måten karbonfibermekaniske egenskaper kan kontrolleres så nøye, at monocoque produksjon er toppvalg for å bygge en ramme med høyest stivhet til vektforhold. Hvis du ser på syklene som brukes I Verdentur, for eksempel, alle Unntatt Colnago C60 AV UAE Team Emirates bruker en modulær-monocoque produksjonsteknikk.
Monocoque produksjon er ikke uten noen ulemper, men hovedsakelig knyttet til tilgjengelighet og kostnader.
for det første, som beskrevet ovenfor, er denne metoden ekstremt arbeidsintensiv. Selv en godt bemannet og effektiv fabrikk som Allied tar relativt lang tid å produsere en ramme. Dette er en av hovedgrunnene til at flertallet av verdens karbonfibersykler er laget i Asia – når arbeidskraft utgjør størstedelen av produksjonskostnadene, er det fornuftig å minimere lønnskostnadene så mye som mulig.
for det Andre må det opprettes spesifikke former for hver rammedesign, og innenfor det krever hver rammestørrelse også sin egen form. Med tanke på hvordan noen produsenter tilbyr 12 størrelser, eller til og med flere geometrier for hver størrelse, er det lett å se den iboende utgiften i denne prosessen. Ifølge Pickman koster Allieds støpselinvestering for en ny ramme-og gaffeldesign over et fullstørrelsesområde, inkludert tilhørende spesifikt verktøy, rundt US$160,000.
for å overvinne dette jobber mange produsenter på en to-eller treårs livssyklus for en karbonrammedesign, for å hente inn kostnader over en lengre periode. Det er en av hovedgrunnene til at Du ikke ser Slike Som Giant eller Specialized som kommer ut med en ny rammemodell hvert år.
med slike verktøykostnader har mindre merker og produsenter en tøff tid som rettferdiggjør ressursene når det ikke er produksjonsmengder for å sikkerhetskopiere investeringen. I mange tilfeller er dette det som fører til åpen kildekode eller generiske former som brukes av mindre eller rabatt merker.
Rør til rør
Boutique produsenter som spesialiserer seg på tilpassede geometrier, passer og lay-ups, finner det ekstremt vanskelig å produsere monocoque design til en markedsførbar pris, slik at de ofte vender seg til en annen metode for rammeproduksjon kalt rør-til-rør. I konseptet er det ikke så forskjellig fra hvordan sveisede stål -, titan-og aluminiumsrammer er laget.
i denne prosessen produseres hvert karbonrammerør separat, og noen ganger hentet direkte fra en karbonrørprodusent. Denne metoden gir en lavere inngangsbarriere for byggherrer å ha kontroll over en rammes geometri, stivhet og kjørekvalitet. Rørvalg dikterer ytelsesegenskapene en rammebygger søker, og den tilpassede rørlengden dikterer geometrien.
med rørene valgt og kuttet til lengde, er de mitered slik at de passer sømløst med hverandre. Deretter brukes en jig som rørene er sammenføyet for å lage en ramme. Builders ofte epoxy rørene sammen, og deretter bruke pre-cut, pre-preg ark for å vikle rørene sammen og forsterke leddene.
Noen mer avanserte metoder vil se rammen deretter satt i en vakuumpose eller til og med en stiv eller fleksibel form for å hjelpe til med komprimering, mens andre vil bevege seg rett til endelig forberedelse når harpiksen herdes.
denne metoden er populær for tilpassede geometrirammer, da den gir et bredt spekter av kontroll på bestemte vinkler og rørlengder. Det er imidlertid en prosess som krever en dyktig tilnærming for å sikre langsiktig sikkerhet. I tillegg vil det være mer overflødig materialoverlapping i denne metoden enn det som er mulig med monocoque teknikken.
Lugged Carbon
i likhet med rør-til-rør-metoden ser lugged carbon frames singulære rør sammen stykke for stykke for å lage en ramme. Men hvor rør-til-rør-leddene er individuelt innpakket, bruker karbonrammer mer av en plug-and-play-prosess der de miterte rørene er bundet til forhåndsdefinerte lugs – igjen, akkurat som deres metalliske analoger.
ofte er lugs av moderne karbonrammer også karbon, som På Colnago C60, men dette er ikke alltid tilfelle. Som rør-til-rør gir lugged konstruksjon generøs fleksibilitet når det gjelder rammegeometri, rammestivhet og kjørekvalitet, med mulighetene bare begrenset av hvilke lugs som er tilgjengelige.
En av de mest høyteknologiske siste eksemplene Er Bastion, Ut Av Melbourne, Australia, som bruker 3d-trykte titan kabelsko for fullstendig tilpasset kontroll med hver bestilling. DEN opprinnelige BMC Teammachine, som Den Som Tyler Hamilton kjørte På Phonak, brukte aluminiumskabler med karbonrør, og Mye tidligere enn Det, var Trek banebrytende for masseproduksjonen av teknologien med sin 2300 veiramme.
på samme måte som med rør-til-rørkonstruksjon, har lugged rammer iboende mer materiell overlapping enn monocoque, og gir derfor et lavere stivhets-til-vektforhold.
Kvalitetskontroll Og Testing
det som ikke er åpenbart er trinnene noen produsenter tar underveis for å sikre at de ferdige rammene faktisk oppfyller designintensjonen – og med andre ord er trygge å ri.
mens noen industristandarder eksisterer på dette området, FOR eksempel CEN – og ISO – sertifiseringer, kan what Allied Cycle Works-og de fleste andre store merker-anses som den vanligste praksisen. I tillegg til hyppige visuelle inspeksjoner, veies individuelle deler og underenheter individuelt for å sikre at riktig mengde harpiks er infundert i hver komponent. Takket være Allieds mindre produksjonsvolumer spores også råvarer.
Den tyske Rammeleverandøren Canyon går til og med så langt som å inspisere gafler og rammer med En røntgenmaskin, noe som gir en mer detaljert, ikke-destruktiv måte å undersøke ferdige komposittdeler på.
en ferdig ramme
alt sagt og gjort, å lage en karbonramme er en tidkrevende prosess, og en som fortsatt er overraskende praktisk. For et materiale med så mye allsidighet i bruken, er det ingen tvil om at djevelen er i detalj-spesielt når det gjelder å skape noe som er like lett, sterkt, kompatibelt og trygt.
Langt fra har ikke mye endret seg i å lage karbonsykler gjennom årene. Men se dypere, og du vil se den finere forståelsen av materialapplikasjonen og forbedret kvalitetskontroll har ført til et produkt som er bedre enn det som var tilgjengelig i år tidligere. Uansett hvilken estetisk form en ramme tar, er det trygt å si at karbonfiberens sanne ytelse ligger godt under overflaten.
