detta innehåll kommer till dig av Allied Cycle Works. Läs mer om våra policyer för sponsrat innehåll här.
plocka upp marknadsföringsmaterial från valfritt antal cykelmärken som erbjuder en kolfiberram och du kommer säkert att översvämmas av vagt jargong om material och konstruktionsmetoder som används. Ta en djupare titt och du kommer att upptäcka att så många märken faktiskt pratar om liknande saker, och ändå är slutresultatet ofta så varierat.
precis som en kock på en Michelin-Stjärnrestaurang kommer att berätta för dig är råvarorna bara en enda aspekt av slutprodukten. Ge dessa identiska ingredienser till en annan kock och resultatet kommer säkert att bli en annan. Det kanske inte är värre, men smaker, texturer och presentation kommer alla att variera märkbart. Att använda kolfiber för att skapa en ram är inte annorlunda, och i denna analogi kombineras detaljerad teknik, korrekt materialval, uppläggningsdesign och tillverkningskonsistens för att separera imitatorerna från experterna, och till och med experterna från varandra.
så hur exakt används kolfiber för att göra en ram? Vilka är de olika konstruktionsmetoderna? Varför är termen själv så vilseledande i cykelvärlden? Och om råvarorna är desamma, varför fungerar en ram bättre än en annan? För att utforska allt detta och mer fick vi hjälp av de USA-baserade Carbon manufacturing wizards på Allied Cycle Works (ett varumärke av HIA Velo) och den australiensiska kolreparationsspecialisten Raoul Luescher från Luescher Teknik för att få sina insikter om den svarta magin i ramtillverkning.
vad är kolfiber?
innan vi går in på djupet om hur en ram kommer att bli, bör vi börja med en förklaring av råvaran. Kolfiber börjar sin resa som en polymer, som bearbetas genom olika uppvärmningssteg till långa strängar av kolatomer. Dessa långa strängar, eller filament, sitter vid ca 5-10 mikron i diameter vardera, 10-20 gånger mindre än det genomsnittliga mänskliga håret.
dessa enskilda filament buntas sedan ihop för att bilda ett tunt band eller släp. Och ungefär som hur en tråd blir en sträng, som sedan blir ett rep, arbetar kolfilament tillsammans för att bilda något extremt lätt och starkt.
antalet filament som används per släp är ett vanligt mått i cykelvärlden och mäts vanligtvis i tusentals. Till exempel ges en kolfiber med 3000 filament typiskt beteckningen 3K; 6000 filament är 6K, och så vidare.
den faktiska styrkan och styvheten hos de enskilda fibrerna kan också variera, med styvheten som beskrivs som modul. Högre modul uppnås genom alltmer raffinering av filamentproduktionsprocessen, strippning av varje filament längre och längre ner och gradvis gör det mjukare och tunnare. Medan de är mer resurskrävande sitter dessa tunnare filament också tätare ihop i en släp och ökar styvheten hos släpet totalt sett. Emellertid är högre modul associerad med ökad brittleness, eftersom varje filament är tunnare.
Modulus är en term som ofta kastas i marknadsföringsmaterial, och det viktigaste att veta är att det inte finns någon standardisering i hur modul beskrivs, åtminstone inom cykelindustrin: ett varumärkes påstådda ”ultra high modulus” – material kan faktiskt vara mer flexibelt än ett annat märkes ”low modulus” – kol. Ännu viktigare är att det är hur dessa varierande styvheter av kol appliceras som betyder mest, och de bästa ramarna kommer alltid att använda en blandning av moduler.
från kol till komposit
Tows av kolfiber är knappast användbara i sig, eftersom de i detta skede bara är torra, smidiga bitar av material. Det är här som ett av de mer vilseledande elementen avslöjas. Allt kolfibermaterial som används vid cykling måste bindas i vissa avseenden, vanligtvis med ett tvådelat epoxiharts. Att tillsätta harts till kolfiber förvandlar materialet till en komposit, eller för att använda den mer specifika tekniska termen, kolfiberförstärkt polymer (CFRP). Eftersom materialet också vanligtvis är skiktat, kallas kompositen ofta som ett laminat också.
där kolfiber är extremt stark och lätt är harts relativt tungt och svagt. Målet med en sådan komposit är att använda så lite harts som möjligt för att hålla kolfibern på plats. Det är här som högre modulkol verkligen lyser, eftersom de mindre luckorna mellan filamenten kräver mindre harts att fylla.
vissa tillverkare kommer att variera prestandaegenskaperna hos den färdiga strukturen genom användning av andra fibertyper och modifierade hartser, såsom kompositepoxier infunderade med glas eller kolnanorör (mikroskopiska filament). Allied Cycle Works använder ett förstärkande material som kallas Innegra i sina ramar, medan andra har varit kända för att inkludera material som aramid för att öka laminatets slagmotstånd.
de flesta ramtillverkare bygger ramar med ark av kolfiber som är förimpregnerade med ohärdat harts-bättre känt som pre – preg-applicerat på en non – stick pappersstöd och skickas på stora rullar. Hartset aktiveras med värme, och så lagras dessa pre-preg-ark i en frys tills det behövs. Denna process bidrar till att säkerställa jämn harts täckning i hela ramen, större ändlig kontroll över lay-up, och minskad arbetstid.
i de flesta fall är fibrerna i dessa rullar alla enkelriktade, med alla fibrer i en parallell riktning. Denna orientering ger maximal styrka och styvhet i en riktning, men på bekostnad av minimal styrka och styvhet i ortogonal riktning. Alternativt kan bogserna vävas samman i olika vinklar, ofta i ett korsat mönster, så att materialet kan vara lika starkt i flera riktningar.
”enkelriktad (UD) pre-preg är vanligt eftersom det har högre specifika egenskaper och är lättare att lägga upp en specifik fibervinkel”, säger Luescher. ”är lättare att lägga upp på komplexa geometriplatser och där belastningarna är mindre definierade. Det ger också bättre skadetolerans eftersom det är mindre sannolikt att delaminera på grund av den mekaniska sammankopplingen av fibrerna. Vävda tyger används ofta på platser i hela ramen, såsom insatser, bottenfästeskal, huvudrör och varhelst hål borras för flaskfästen, kabelstyrningar etc.”
prepreg är överlägset det vanligaste materialet inom cykelindustrin, men andra byggmetoder börjar med torra fibrer.
trådlindning, till exempel, sveper ark eller band av torr kolfiber runt en fast Dorn som är nominellt cylindrisk. Harts appliceras under förpackningsprocessen, och sedan härdas hela enheten under värme och tryck.
i ännu en metod väver Time sina egna kolrör internt från torrt kolfiber-ungefär som hur strumpor tillverkas. Det torra röret säkras sedan i en form, och harts injiceras under högt tryck med hjälp av en processtid kallar Hartsöverföringsformning.
oavsett vilken metod som används för att bilda en struktur slutliga form, det är upp till ingenjören att se till att rätt typer av kolfiber (och hartser) används på rätt ställen och i rätt riktning för bästa slutresultat. Ramdesigners måste väga ett brett spektrum av parametrar, såsom styvhet mot brittleness och vikt mot hållbarhet. Slagmotstånd, och naturligtvis kostnaden, måste faktor i ekvationen, för. I allmänhet är designmöjligheterna för en kolram dock vidöppna, och när det görs rätt kan livslängden för en kolram vara nästan oändlig.
designprocessen i ett nötskal
att designa en ram är ingen snabb prestation och så är det omöjligt att göra ämnet rättvisa här. Oavsett rammärke eller modell är processen omfattande och varierar mycket mellan de olika varumärkena.
de flesta kolfiberramar har förmodligen en liknande genesis – varumärket definierar ramens syfte och att det finns efterfrågan på det. När allt kommer omkring, om du ska investera omfattande resurser, skulle du bättre vara säker på att du kan kommersialisera det.
nästa steg skulle se varumärken definiera vad den nya ramen behöver uppnå. Med tanke på mognaden hos kolfibercykelramar vid denna tidpunkt är det vanligtvis kontinuerlig förbättring som driver förändring, och sällan uppnås äkta innovation. Det är därför med några års mellanrum ser du ett varumärke uppdatera en befintlig modell med iterativa och inkrementella förbättringar, snarare än grossist nykonstruktioner av produkter som redan är ganska raffinerad. Detta är lika mycket resultatet av att lära av tidigare misstag eller tidigare designbegränsningar, som det är ett tecken på den kontinuerliga utvecklingen av användningen av kolfiber.
Luescher förklarar att framstegen i kolfiberramar för det mesta beror på mer konsekvent processkontroll.
”även om det har gjorts framsteg inom fiberkvaliteter, vilket ofta är marknadsavdelningarnas fokus, uppväger tillförlitlig komprimering och gjutning de teoretiska vinsterna från en råmaterialförändring ensam”, sa han. ”Komprimeringens ökade enhetlighet har lett till minskade brister, mer konsekventa laminategenskaper och därmed ökad strukturell prestanda. Genom att kunna producera mer konsekventa laminat kan strukturella modeller bättre optimera ramuppsättningen för att producera lättare, starkare och mer utmattningsbeständiga ramar som inte kräver så stor säkerhetsfaktor som tidigare krävts.”
enligt Sam Pickman, chef för produkt-och teknik på Allied Cycle Works, spelar digital utveckling en enorm roll efter att det ursprungliga konceptet har slutförts.
” här dyker vi in i design på ett stort sätt inklusive 3D FEA-analysen, CFD om det behövs, och viktigast av allt hur vi ska göra det. Vi bestämmer om och var ramen ska delas upp, vilka material vi vill använda, hur vi ska förforma den, hur vi vill att verktyget ska se ut, etc.”
ridbara prototyper är dyra och kommer vanligtvis mycket senare i processen. Enligt Pickman använder Allied först ett 3D-tryckt prov av cykeln för att testa komponentmontering, allmän estetik och en tillverkningsplan.
” när vi har klargjort detta startar verktygsdesign och tillverkning och ply-manualerna skapas. När verktygen är färdiga börjar vi delutveckling. Det är när vi fysiskt gör och bryter delar. Efter all den digitala utvecklingen är vi ganska säkra, men några ändringar är vanligtvis nödvändiga för att få den prestanda vi behöver. När vi passerar testning, vi börjar cykla och samla in feedback. Samtidigt börjar vi utbilda personal i de nya processerna. När vi har rensat allt, startar vi en pilotkörning för att träna kinks.”
tillverkningsprocesser
det finns ett antal sätt att förvandla dessa råvaror av kolfiber och harts till en cykelram. Även om det finns några nischaktörer med okonventionella tekniker, har den stora majoriteten av branschen antagit monocoque-metoden.
Monocoque manufacturing
en term som vanligtvis används för att beskriva moderna kolfibercykelramar, monocoque design betyder effektivt att objektet hanterar sina belastningar och krafter genom sin enda hud. I verkligheten är sanna monocoque vägcykelramar extremt sällsynta, och majoriteten av vad som ses i cykling har bara en monocoque främre triangel, med sadelstänger och kedjestänger producerade separat och senare bundna ihop. Dessa, en gång inbyggda i en komplett ram, kallas mer korrekt en semi-monocoque, eller modulär monocoque, struktur. Detta tekniken som används av Allied Cycle fungerar, och är i särklass den vanligaste inom cykelindustrin.
oavsett om branschens terminologi är korrekt, ser de första stegen vanligtvis stora ark pre-preg kol skuren i enskilda bitar, som var och en placeras i en specifik orientering i en form. När det gäller allierade Cykelarbeten går det specifika valet av kol, uppläggningen och orienteringen tillsammans i en lagmanual, annars känd som uppläggningsschema. Detta beskriver specifikt exakt vilka bitar av pre-preg kol gå där i formen. Tänk på det som ett pussel, där varje bit är numrerad.
kolfiberramar uppfattas ofta som billiga och lätta att tillverka, men verkligheten är att denna lagerprocess är extremt tidskrävande och dyr. Enligt Allied Cycle Works använder Alfa road frameset 326 stycken enskilda pre-preg-kolstycken i ramen och 170 i gaffeln, som alla läggs noggrant för hand, i en specifik sekvens och i flera lager, enligt ingenjörens ply manual.
”hur skikten låg på en annan hjälpmedel i hur de veckla ut i när hartsviskositeten sjunker,” förklarade Pickman. ”Ju lättare de kan glida och fylla verktyget, desto bättre konsolidering får du. Förformsstorlek säkerställer bara att skikten inte behöver röra sig långt för att komma till sin slutliga form. Ju mer de behöver flytta, desto fler problem får du, inklusive konsolideringsfrågor.”
gjord för att vara modell – och storleksspecifik, dikterar formen utsidan och formen på ramen. Dessa formar är vanligtvis bearbetade av antingen stål eller aluminium, byggda för upprepad användning och utan varians.
den yttre ytan är dock bara en del av berättelsen, och kolet måste också komprimeras från insidan för att säkerställa korrekt komprimering och att inga tomrum (svagheter) skapas. Här används olika tekniker. Uppblåsbara blåsor, som ibland bara lämnas i ramen, är kanske de vanligaste. Andra exempel är skum eller vax dornar som kan smältas bort; flexibla kisel Dornar; och ibland ännu mer fasta dornar, oavsett om de är plast eller metall.
Allieds process är ganska vanlig bland premium-och storskaliga ramalternativ. Ramen är skiktad runt ett nätverk av uppblåsbara blåsor och halvfasta förformar på ena sidan av en tvådelad, clamshell-liknande form, och den andra sidan av formen är säkrad på toppen när lay-up är klar.
härifrån är formen helt förseglad med en vakuumpåse innan den flyttas till de-bulkfasen. ”De-bulking är en process mellan uppläggning och botemedel där du applicerar vakuum och lite värme på delen och drar ut så mycket luft som möjligt före härdning”, förklarade Pickman.
i Allieds fall avlägsnas formen från vakuumpåsen och placeras i en uppvärmd press. Återigen värms ramen inuti för att tillåta flödet av harts, medan de inre blåsorna trycksätts för att ge slutlig försäkran om att korrekt materialkomprimering uppnås. Denna härdningsprocess ökar det inre trycket stegvis med målet att skjuta skikten till de yttersta delarna av formen. Både detta och de-bulking arbetar tillsammans för att eliminera lufthåligheter, fiberveck eller andra potentiella spänningshöjare i materialet – allt medan du tar bort överskott av harts.
efter härdning extraheras ramen från sin form, och de inre luftblåsorna och förformerna avlägsnas. Dropouts, sadelstänger och kedjestänger binds sedan med den främre triangeln. Dessa bindningar är overwrapped med ytterligare remsor av kolfiber för att ge både extra strukturellt stöd och sömlös ytfinish, och all denna montering utförs i en jigg för att säkerställa perfekt inriktning.
nu ser ut som en ram, nästa steg är slipning och Paint prep. En mödosam process av fina detaljer säkerställer inget överskott harts eller märken från formen är synliga. I synnerhet kommer tillverkarna att ägna stor uppmärksamhet åt bindningsfogarna, vilket ofta kräver mest behandling från rammontering.
vid samma tidpunkt sker borrningar för vattenflaskburar, framväxelfästet och kabelhanteringssystem. Med en blandning av rivnötter (gängade nitar), nitar och epoxi som vanligtvis används för att permanent fästa föremålen, läggs dessa försiktigt till områden som redan har förstärkts under förberedelserna under uppläggningssteget.
allt i, skapandet av en enda Allied Alfa-ram, som helt produceras internt i USA, sägs ta ungefär 24 timmar i arbete.
”i själva verket tar det ungefär 10 dagar för en cykel att gå igenom byggnaden”, säger Pickman.
när det görs rätt, producerar monocoque design En otroligt stark och lätt produkt, alla med minimal överlappning av material. Det är av den anledningen, plus det sätt som kolfibermekaniska egenskaper kan kontrolleras så noggrant, att monocoque tillverkning är toppvalet för att bygga en ram med högsta styvhet till viktförhållande. Om du tittar på cyklarna som används i Världentur, till exempel, alla utom Colnago C60 i UAE Team Emirates använder en modulär monocoque tillverkningsteknik.
Monocoque tillverkning är inte utan några nackdelar, men främst relaterade till tillgänglighet och kostnad.
för det första, som beskrivs ovan, är denna metod extremt arbetsintensiv. Även en väl bemannad och effektiv fabrik som Allied ’ s tar relativt lång tid att producera en ram. Detta är en av de viktigaste anledningarna till att majoriteten av världens kolfibercyklar tillverkas i Asien – när arbetskraft utgör majoriteten av tillverkningskostnaden är det vettigt att minimera dina arbetskraftskostnader så mycket som möjligt.
för det andra måste specifika formar skapas för varje ramkonstruktion, och inom det kräver varje ramstorlek också sin egen form. Med tanke på hur vissa tillverkare erbjuder 12 storlekar, eller till och med flera geometrier för varje storlek, är det lätt att se den inneboende kostnaden i denna process. Enligt Pickman kostar Allieds gjutningsinvestering för en ny ram-och gaffeldesign över ett fullstorleksintervall, inklusive medföljande specifika verktyg, cirka 160 000 USD.
för att övervinna detta arbetar många tillverkare på en två – eller treårig livscykel för en kolramkonstruktion för att få tillbaka kostnader under en längre period. Det är en av de viktigaste anledningarna till att du inte ser Giant eller Specialized som kommer ut med en ny rammodell varje år.
med sådana verktygskostnader har mindre märken och tillverkare svårt att motivera resurserna när det inte finns produktionskvantiteter för att säkerhetskopiera investeringen. I många fall är detta vad som leder till öppen källkod eller generiska formar som används av mindre eller rabatterade varumärken.
rör till rör
Boutique tillverkare som specialiserat sig på anpassade geometrier, passar och lay-ups tycker att det är extremt svårt att producera monocoque mönster till ett omsättbart pris, så de vänder sig ofta till en annan metod för RAM tillverkning som kallas tube-to-tube. I konceptet är det inte så annorlunda än hur svetsade stål -, titan-och aluminiumramar tillverkas.
i denna process produceras varje kolramrör separat och kommer ibland direkt från en kolrörstillverkare. Denna metod ger en lägre inträdeshinder för byggare att ha kontroll över en Rams geometri, styvhet och körkvalitet. Rörval dikterar prestandaegenskaperna som en rambyggare söker, och den anpassade rörlängden dikterar geometrin.
med rören valda och skurna i längd, är de miterade för att passa sömlöst med varandra. Sedan används en jigg när rören förenas för att skapa en ram. Byggare epoxi ofta rören tillsammans, och sedan använda förskurna, pre-preg Ark att linda rören tillsammans och förstärka lederna.
några mer avancerade metoder kommer att se ramen och sedan sätta i en vakuumpåse eller till och med en styv eller flexibel form för att hjälpa till med komprimering, medan andra kommer att flytta direkt till slutlig förberedelse när hartset härdar.
denna metod är populär för anpassade geometriramar eftersom den tillåter ett brett spektrum av kontroll på specifika vinklar och rörlängder. Det är dock en process som kräver ett skickligt tillvägagångssätt för att säkerställa långsiktig säkerhet. Dessutom kommer det att finnas mer redundant materialöverlappning i denna metod än vad som är möjligt med monocoque-tekniken.
släpade kol
ungefär som rör-till-rör-metoden ser släpade kolramar singulära rör sammanfogade bit för bit för att skapa en ram. Men där rör – till-rörfogar är individuellt inslagna, använder släpade kolramar mer av en plug-and-play-process där de gerade rören är bundna i förformade klackar-igen, precis som deras metalliska analoger.
ofta är klackarna i moderna kolramar också kol, till exempel på Colnago C60, men det är inte alltid fallet. Liksom rör-till-rör, ger släpad konstruktion Generös flexibilitet när det gäller ramgeometri, ramstyvhet och körkvalitet, med möjligheterna endast begränsade av vilka klackar som finns tillgängliga.
ett av de mest högteknologiska senaste exemplen är Bastion, från Melbourne, Australien, som använder 3D-tryckta titanklackar för fullständig anpassad kontroll med varje beställning. Den ursprungliga BMC-Lagmaskinen, som den som kördes av Tyler Hamilton på Phonak, använde aluminiumklackar med kolrör, och mycket tidigare än så var Trek banbrytande för massproduktionen av tekniken med sin 2300-vägram.
precis som med rör-till-rörkonstruktion, har dock släpade ramar i sig mer materialöverlappning än monocoque, och returnerar därför ett lägre förhållande mellan styvhet och vikt.
kvalitetskontroll och testning
det som inte är uppenbart är de steg som vissa tillverkare tar på vägen för att säkerställa att de färdiga ramarna faktiskt uppfyller designintentionen – och med andra ord är säkra att rida.
medan vissa industristandarder finns inom detta område, såsom CEN – och ISO – certifieringar, kan vad Allied Cycle fungerar-och de flesta andra stora märken-anses vara de vanligaste metoderna. Förutom frekventa visuella inspektioner vägs enskilda delar och underenheter individuellt som ett sätt att säkerställa att rätt mängd harts har infunderats i varje komponent. Delvis tack vare Allieds mindre produktionsvolymer spåras också råvaror.
den tyska ramleverantören Canyon går till och med så långt som att inspektera gafflar och ramar med en röntgenmaskin, vilket ger ett mer detaljerat, icke-destruktivt sätt att undersöka färdiga kompositdelar.
en färdig ram
allt sagt och gjort, att skapa en kolram är en tidskrävande process, och en som förblir förvånansvärt praktisk. För ett material med så mycket mångsidighet i användningen är det ingen tvekan om att djävulen är i detalj – särskilt när det gäller att skapa något som är lika lätt, starkt, kompatibelt och säkert.
långt ifrån har inte mycket förändrats i tillverkningen av kolcyklar genom åren. Men titta djupare, och du kommer att se den finare förståelsen av materialapplikationen och förbättrad kvalitetskontroll har lett till en produkt som är överlägsen vad som var tillgängligt under tidigare år. Oavsett vilken estetisk form en ram tar, är det säkert att säga att kolfibers sanna prestanda ligger långt under ytan.
