Üreticiler karbon fiber döşeme hakkında övünmeyi severler, bu yüzden Bisikletçi bunun ne anlama geldiğini ve performansı nasıl etkilediğini araştırmaya karar verdi
Bisikletin gelmiş geçmiş en iyi Noel hediyesi olduğunu söylemeye gerek yok, ancak olası bir istisna dışında, aynı zamanda paketlenmesi en zor olanıdır. Karmaşık kıvrımlarının etrafına karbon sarmak ve sarmak zorunda kalan zavallı çerçeve tasarımcısına yazık, öyle ki, fırınlandığında ve bittiğinde çerçeve istenen sürüş hissini veriyor. Bir karbon fiber çerçevenin yapımı, Rubik Küp'ü gölgede bırakan karmaşık bir 3D bulmacadır.
Karbonun güzelliği, metalden farklı olarak, bir bisiklet çerçevesinin herhangi bir noktasında gereken performans özellikleri ve güç üzerinde çok sıkı kontrol sağlamak için birden fazla parçanın farklı kesişme ve örtüşme derecelerinde katmanlanabilmesidir. Dezavantajı, karbonun anizotropik olmasıdır - bir yönden diğerinden ahşaba benzer şekilde daha güçlüdür - bu, mukavemetin liflerin yönüne bağlı olduğu anlamına gelir. Karbonun önemli yükler taşıması için kuvvetlerin lifleri boyunca yönlendirilmesi gerekir, bu da lif yönünü kesinlikle çok önemli kılar. Bir bisiklet çerçevesini oluşturan kısımlar çeşitli yönlerde kuvvetlere maruz kalır, bu da karbon fiberlerin de birkaç yönde hareket etmesi gerektiği anlamına gelir. Bu nedenle, farklı katmanların lifleri farklı açılarda, genellikle 0° (sırada), +45°, -45°, +90° ve -90° ve aslında istenen özellikleri yaratacaksa tasarımcılar tarafından seçilen herhangi bir açıda bulunur..
Derinlerde
Tüm karbon çerçeveler için bu böyledir. Parlak dış yüzeylerin altında, sertlikleri, güçleri, şekilleri, boyutları, konumları ve yönelimleri, genellikle bilgisayar yazılım paketleri ve mühendislerin uzmanlığının bir kombinasyonu ile özenle planlanmış birçok karbon fiber parça katmanı bulunur. Bu, yerleştirme programı veya sadece yerleştirme olarak bilinir. Karbon dekupaj testeresi tamamlandığında, bisiklet hafif, duyarlı, uygun maliyetli ve bisikletin en aşırı güçlerine dayanabilecek durumda olmalıdır.
S alt Lake City'deki Utah Üniversitesi'ndeki kompozitler mekaniği laboratuvarının yöneticisi, kendisi de hevesli bir bisikletçi olan ve Trek'in ilk karbon çerçevelerinin geliştirilmesinde yer alan Profesör Dan Adams, karbondan herhangi bir şey inşa etmenin her şey olduğunu söylüyor Doğru yerleştirme programı hakkında. “Son parça kalınlığını oluşturmak için üst üste yığılmış karbon/epoksi prepreg katmanlarının veya katmanlarının yönünü belirtir” diyor. 'Bazı çerçeve parçalarının döşenmesi diğerlerinden daha kolaydır. Tüpler nispeten basittir ancak aralarındaki bağlantılar, havacılık ve otomotiv de dahil olmak üzere yapısal olarak karbon kullanan herhangi bir endüstride üretim parçalarında göreceğiniz en karmaşık kat yerleşimlerinden bazılarıdır.'
Karbon'un anizotropik doğası da doğru karbonu seçmeyi çok önemli hale getirir. En basit haliyle, karbonun tedarik edilmesinin iki yolu vardır. Tek yönlü (UD), tüm karbon fiberlerin bir yönde, birbirine paralel olarak hareket etmesine sahiptir. UD'nin alternatifi dokuma kumaş veya 'kumaş'tır. Karbon fiberin klasik görünümünü vermek için iki yönde uzanan, birbirinin altından ve üstünden dik açılarda geçen fiberlere sahiptir. Düz dokuma olarak bilinen en basit kumaşta, lifler ızgara benzeri bir desen oluşturmak için her geçişte ("1/1" olarak adlandırılır) alttan ve üstten bağlanır. Başka birçok olası örgü modeli vardır. Twill (2/2) biraz daha gevşek olduğundan örülmesi daha kolay ve köşegen deseni ile kolayca tanınabilir, bu da köşeli çift ayraç gibi görünür.
Lifin modülü (bir elastikiyet ölçüsü) de belirli bir yerleştirme için temeldir. Modül, bir fiberin ne kadar sert olduğunu tanımlar. 265 gigapaskal (GPa) değerinde standart bir modül fiberi, 320GPa değerinde bir ara modül fiberden daha az serttir. Aynı sertlikteki bileşenleri yapmak için daha az yüksek modüllü karbon gerekir, bu da daha hafif bir ürünle sonuçlanır. Daha yüksek modüllü lifler bu nedenle tercih edilen seçim gibi görünebilir, ancak bir yakalama var. Bir parça spagettiye karşı bir lastik bant ile bir benzetme yapılabilir. Lastik bant çok elastiktir (düşük bir modüle sahiptir) ve çok az kuvvet uygulandığında esneyebilir ancak kırılmaz, ayrıca büküldükten sonra orijinal şekline geri döner. Öte yandan, spagetti çok serttir (yüksek modül), bu nedenle deformasyona bir noktaya kadar direnir ve sonra basitçe kırılır. Pazarlama departmanları genellikle en son çerçeve tasarımına belirli bir fiber modülünün dahil edilmesiyle övünür, ancak çoğu durumda bir bisiklet çerçevesi, istenen sertlik, dayanıklılık ve esneklik kombinasyonunu sağlamak için yerleşim içindeki çeşitli modül türlerinin dikkatli bir dengesidir..
Düşünülmesi gereken bir değişken daha var. Tek bir karbon fiber teli son derece incedir - insan saçından çok daha incedir, bu nedenle bir araya toplanarak "kıtık" denilen şeyi oluştururlar. Bisikletler için, bir yedekte 1.000 ila 12.000 tel arasında herhangi bir şey bulunabilir, ancak en yaygın olanı 3.000 (3K olarak yazılır) olur.
Bu lif, bu lif
Temel bilgiler bunlar, ancak yerleşim oluşturmak karmaşıklaşıyor. Bristol Ulusal Kompozit Merkezi'nde araştırma mühendisi olan Dr Peter Giddings, "Saf güç ve sertlik açısından bakıldığında, ideal kompozit, mümkün olan en yüksek fiber/reçine oranına ve fiberde en az bükülmeye sahip olacaktır" diyor. bisikletlerle çalıştı ve uzun yıllar yarıştı. Tek yönlü lifler, en azından teorik olarak bunun için en iyi seçimdir. UD malzemeleri, elyaf yönünde artan bir sertlik-ağırlık oranına sahiptir. Ne yazık ki UD kompozitleri, hasara karşı daha hassastır ve bir kez hasar gördüğünde, dokuma kumaşlardan daha fazla bozulma olasılığı daha yüksektir.'
Yalnızca UD karbon katmanlarından bir çerçeve inşa etmek, malzeme ve adam-saat maliyetleri nedeniyle aşırı derecede pahalı olmasının yanı sıra tehlikeli derecede kırılgan bir bisiklet yaratacaktır. Bu nedenle, dokuma karbon hakimdir ve sıkı eğrilerin ve karmaşık eklem şekillerinin olduğu herhangi bir alan için bariz bir seçimdir. Dahası, insanlar görünüşünü sever. Giddings, "Estetik olarak, dokuma malzemelerin tek yönlü malzemelerden daha iyi göründüğü düşünülür ve halkın bir kompozit algısı dokuma kumaştır" diyor. "Aslında, birçok üretici çerçeve yapısının pürüzsüz, dokunmuş bir görünümü engellediği alanları boyar [dolayısıyla gizler]."
Üretim kolaylığı da işçilik maliyetlerini hesaba katmak için bir yerleştirme programına dahil edilmelidir. Karmaşık derzler ve şekiller için UD lifleriyle ideal yerleşimi oluşturmak çok daha uzun sürer. Çoğu karbon bisiklet üreticisinin dokuma kumaşları tercih etmesinin bir başka nedeni de budur. Giddings, "Dokuma kumaşla çalışmak UD'ye göre daha kolaydır ve onu istenen şekle sokmak için daha az beceri gerektirir" diyor. UD, karmaşık şekiller etrafında bölünme veya bükülme eğilimi gösterir. Gevşek dokunmuş kumaşlar daha kolay uyum sağlar ve yapının genel mukavemeti küçük imalat hatalarından daha az etkilenir.'
Üreticilerin, orta göbek ve başlık boru bağlantıları gibi en karmaşık alanlarda dokuma karbon ile bir döşemeyi tercih etmeleri muhtemeldir, ancak dikkate alınması gereken başka bir faktör olduğu için yine de göründüğü kadar basit değildir. Scott Sports'ta bir bisiklet mühendisi olan Paul Remy, "Fiber yönlendirmesinin sürekliliğini sadece kavşakların çevresinde değil, bunların ötesinde ve ötesinde tutmak istiyorsunuz" diyor. "Alt braket gibi bir kavşakta karmaşık eğrilikler olabilir, bu nedenle liflerin oryantasyonunu devam ettirmenin, yüklemeyi bunlar boyunca aktarmanın bir yolunu düşünmeniz gerekir."
Remy gibi çerçeve mühendislerinin bilgisayar biliminin yardımına minnettar oldukları yer burasıdır. Geçmişte, çeşitli yerleştirme programı değişikliklerinin nihai sonucu nasıl etkileyeceğini bilmenin tek yolu, birden fazla prototip oluşturmak ve test etmekti, ancak şimdi bir yerleştirme programı, bilgisayarlar tarafından çok yüksek bir doğruluk derecesi ile test edilebilir. bir çerçeve kalıbında tek bir lif ipliği dokunmuştur.
'Önceden, yerleşimin sadece bir kısmını değiştirmenin çerçevenin performansı üzerinde ne gibi bir etki yaratacağını bilmek gerçekten zordu,' diyor Remy.
Massachusetts merkezli Parlee Cycles'ın kurucusu Bob Parlee, bilgisayarların tüm sayıları sevgiyle çarpmadan önceki o eski günleri hatırlıyor: 'Çerçeve gibi bir kafes yapı üzerindeki yükleri anlarsanız, yerleştirmeler basittir., bu yüzden başlangıçta onları kafamda kendim çözebilirim.” Parlee o zamandan beri bilgisayar sonlu elemanlar analizinin (FEA) yerini aldığını kabul etti. "Başlangıçta [kablo giriş noktaları veya şişe kafesi bağlantıları için] çerçeve borularına delikler açmazdım çünkü bunlar potansiyel zayıf noktalardı, ama şimdi FEA bize bu deliği güçlendirmek için ne yapmamız gerektiğini söylüyor" diyor.
Her zamankinden daha gelişmiş yazılımlarla birlikte artan bilgi işlem gücü, mühendislerin çok sayıda sanal modeli kısa sürede analiz etmesine ve tasarım ve malzemelerin sınırlarını zorlamasına olanak tanıyor. Uzman tasarım mühendisi Chris Meertens'e göre, 'Yineleme oyunun adıdır. FEA araçları, çerçevenin temsili bir modelini oluşturur ve amaç, her fiberin hesaba katılmasıdır. Yazılım, bir model çerçevesi için sahip olduğumuz 17 yük durumu için bir optimizasyon modeline dayalı olarak her bir katı tasarlamama izin veriyor.’
Bunun anlamı, yazılımın Meertens'e çerçevenin her alanında ne kadar karbon olması gerektiğini ve lifler için en uygun yönlendirmeyi bildirdiğidir. Ancak beceri, karbon yerleşimi ile neyin mümkün olup olmadığını bilmektir. Bazen bilgisayar idealden uzak idealleri tükürür. Meertens, “Çoğu zaman ona bakıp “Bunu yapmamızın hiçbir yolu yok” diyorum. "Öyleyse, sanal katları kesmek ve bunları sanal bir mandrel üzerine sarmak için laminat kaplama yazılımıyla meşgul oluyorum, bunu üretim fizibilitesine ve laminat optimizasyonlarına dayandırıyorum."
Bilgisayar yazılımı kullanarak bile bunun deşifre edilmesi günler alabilir ve yerleşimin nihayet tanımlanmasına kadar hala uzun bir yol var. İnsan unsurunun önemli olduğu yönlerden biri, doğru yerde doğru elyaf sınıfının kullanıldığından emin olmaktır. Meertens, 0° elyaf çok serttir ancak iyi bir darbe dayanımına sahip değildir, bu nedenle kompozitin hasara toleranslı kalmasını sağlamak için bir alt borunun altı gibi yerlere çok fazla şey koymaktan kaçınmalıyız. Bu aşamada hangi kat şekillerine ihtiyacım olduğunu öğreneceğim, ama şimdi her kattan kaç tane bilmek istiyorum. Bu yüzden, onları ne kadar kalın yapmam gerektiğini söyleyen başka bir optimizasyon programı çalıştırıyorum – esasen katman sayısı. 30 ila 50 kat kombinasyonunu herhangi bir yerde analiz edecektir. Dört veya beş kez sanal döküm ve optimizasyon döngüsünden geçerek katlara her seferinde biraz daha ince ayar yapacağız. Ama bir noktada “Git”e basıp onu göndermemiz gerekiyor.’
Kesin rehber
Yerleştirme planı, her katmandaki şekilli karbonun her bir parçasını detaylandıran bir 3B harita gibidir. Meertens, "Çerçeve dokuz bölgeye ayrılmıştır: iki koltuk, iki zincir, orta göbek, koltuk, üst, baş ve aşağı borular" diyor Meertens.'Her bölge için bir eksen olan veriyi belirtiriz. Bir bölgedeki her karbon parçasının oryantasyonu o veri ile ilişkilidir. Bir aşağı boru, yerel referans noktasına göre 45°, 30° ve 0°'de katlara sahip olabilir. Genel olarak, daha yüksek mukavemetli malzeme eksen dışı, açılı olarak kullanılır. 0°'de eksenel olarak kullandığımız daha yüksek modüllü malzeme.'
Sonuç olarak ortaya çıkan dosyanın boyutu 100Mb'a kadar olabilir ve sonunda fabrika katına iletilir. Fabrikadaki her işçi, yalnızca çerçevenin oluşturmaktan sorumlu olduğu kısmı ile ilgili kısmı alır. Bu hala nihai üretim çalışması değil. Yerleşik çerçeve bu aşamada bir prototiptir ve dijital olarak tasarlanmış yerleşimin pratikte performans gösteren bir çerçevede sonuçlandığından emin olmak için test edilmesi gerekir. Ultrason, X-ray incelemesi ve fiziksel diseksiyon, laminat kalınlıklarını ortaya çıkarır. Başka yerlerde reçine matrisi, laminasyonun kalitesini ve malzeme mi yoksa liflerin mi yer değiştirdiğini ortaya çıkarmak için yakılacaktır. Bükme testleri, FEA analizi ile aynı sonuçları göstermelidir. Yine de sonunda, onu yola çıkaran bir insan.
'Bisiklete binmek, onu gerçekten ölçebilmemizin tek yolu,' diyor Bob Parlee. 'Bükme ve yük testlerini yapabiliriz, ancak istediğimiz performansı gösterip göstermediğini görmek için dışarı çıkıp sürmemiz gerekiyor.' Model toparlandığında, üretime nihayet yeşil ışık yakılıyor.
Bisiklet üretiminin çoğu Uzak Doğu'da gerçekleşir ve bu, yerleştirme programına daha da büyük önem verir. İnce ayrıntılı plan, harfi harfine takip edilirse, bu büyük fabrikalardan çıkan ürünlerin, test edilen ve son prototip aşamasında geçen ürünlerin ikizleri olmasını sağlamalıdır. Elbette çoğu marka, mağazalara ulaşan bisikletlerin müşteri beklentilerini karşılaması için tutarlılığı sağlamak için üretim çerçevelerini sürekli olarak test eder ve yeniden test eder. Çoğu durumda üreticiler, bir çerçevenin tüm yolculuğunu, ilk fiber şeritlerinin kökenine kadar izleyebilirler. Bu, bir dahaki sefere ayağa kalktığınızda ve gururunuza ve neşenize hayran olduğunuzda düşünmeniz gereken bir şey.
