Gamintojai mėgsta pasigirti anglies pluošto klojimu, todėl dviratininkas nusprendė ištirti, ką tai reiškia ir kaip tai veikia našumą
Dviratis, savaime suprantama, yra geriausia kalėdinė dovana, tačiau, išskyrus šuniuką, jį taip pat sunkiausia suvynioti. Labai gaila vargšo rėmo dizainerio, kuris turi apvynioti ir padengti anglies dioksidą aplink sudėtingas kreives, kad iškepus ir baigtas rėmas suteiktų norimą važiavimo pojūtį. Anglies pluošto rėmo konstrukcija yra sudėtingas 3D galvosūkis, užtemdantis Rubiko kubą.
Anglies grožis yra tas, kad, skirtingai nei metalas, kelios dalys gali būti sluoksniuojamos skirtingo laipsnio susikirtimo ir persidengimo laipsniais, kad būtų galima labai tiksliai kontroliuoti našumo savybes ir stiprumą, reikalingą bet kuriame dviračio rėmo taške. Neigiama yra tai, kad anglis yra anizotropinė – ji viena kryptimi stipresnė nei kita, panašiai kaip mediena – tai reiškia, kad stiprumas priklauso nuo pluošto krypties. Kad anglis nešiotų dideles apkrovas, jėgos turi būti nukreiptos išilgai jos pluoštų, todėl pluošto kryptis yra labai svarbi. Dviračio rėmo sudedamosios dalys veikia keliomis kryptimis, o tai reiškia, kad anglies pluoštai taip pat turi eiti keliomis kryptimis. Štai kodėl skirtingų sluoksnių pluoštai yra skirtingais kampais, dažniausiai 0° (linijoje), +45°, -45°, +90° ir -90° ir iš tikrųjų bet kokiu dizainerių pasirinktu kampu, jei tai sukurs norimus požymius..
Gelmėje
Taip yra visiems anglies pluošto rėmams. Po blizgančia išorine danga yra daug sluoksnių anglies pluošto dalių, kurių standumas, stiprumas, formos, dydžiai, padėtis ir orientacijos buvo kruopščiai suplanuoti, dažniausiai derinant kompiuterių programinės įrangos paketus ir inžinierių patirtį. Tai žinoma kaip klojimo grafikas arba tiesiog klojimas. Kai bus pagamintas anglies dviratis, dviratis turi būti lengvas, jautrus, ekonomiškas ir atlaikyti ekstremaliausias važiavimo dviračiu jėgas.
Profesorius Danas Adamsas, Jutos universiteto Solt Leik Sityje kompozicinės mechanikos laboratorijos direktorius, pats entuziastingas dviratininkas ir dalyvavęs kuriant pirmuosius „Trek“anglies rėmus, sako, kad iš anglies yra viskas. apie teisingą klojimo grafiką. „Joje nurodoma atskirų anglies / epoksidinių preprego sluoksnių arba sluoksnių orientacija, sukrauti taip, kad būtų galutinis dalies storis“, - sako jis. „Kai kurias rėmo dalis kloti lengviau nei kitas. Vamzdžiai yra gana paprasti, tačiau jungtys tarp jų yra vieni iš sudėtingiausių sluoksnių išdėstymo būdų, kuriuos pamatysite gaminant dalis bet kurioje pramonės šakoje, kurioje struktūriškai naudojama anglis, įskaitant aviaciją ir automobilių pramonę.’
Anglies anizotropinė prigimtis lemia, kad taip pat labai svarbu pasirinkti tinkamą anglį. Paprasčiausiai yra du anglies tiekimo būdai. Unidirectional (UD) visi anglies pluoštai eina viena kryptimi, lygiagrečiai vienas kitam. UD alternatyva yra audinys arba "audinys". Jame yra dviejomis kryptimis einančių pluoštų, stačiu kampu vienas po kito ir virš jo, kad būtų klasikinė anglies pluošto išvaizda. Paprasčiausiame audinyje, vadinamame paprastu pynimu, pluoštai po ir per kiekvieną sankryžą susiriša (vadinami „1/1“), kad susidarytų tinklelį primenantis raštas. Yra daug kitų galimų pynimo modelių. Ruoželis (2/2) yra šiek tiek laisvesnis, todėl jį lengviau uždengti ir lengvai atpažinti pagal įstrižą raštą, kuris atrodo kaip ševronas.
Pluošto modulis (tamprumo matas) taip pat yra esminis tam tikrame išdėstyme. Modulis apibrėžia pluošto standumą. Standartinis 265 gigapaskalių (GPa) modulio pluoštas yra mažiau standus nei vidutinio modulio pluoštas, kurio nominalioji galia yra 320 GPa. Norint pagaminti tokio paties standumo komponentus, reikia mažesnio anglies modulio, todėl gaminys yra lengvesnis. Todėl aukštesnio modulio pluoštai gali atrodyti kaip geresnis pasirinkimas, tačiau yra kažkas. Analogiją galima padaryti su gumine juostele ir spagečių gabalėliu. Guminė juosta yra labai elastinga (turi mažą modulį) ir gali būti lankstoma naudojant labai mažą jėgą, tačiau ji nenutrūks, be to, sulenkus ji grįš į pradinę formą. Kita vertus, spagečiai yra labai standūs (didelis modulis), todėl atsispirs deformacijai iki tam tikro taško, o tada tiesiog sulaužys. Rinkodaros skyriai dažnai giriasi, kad į naujausią rėmo dizainą įtrauktas tam tikras pluošto modulis, tačiau daugeliu atvejų dviračio rėmas yra kruopštus kelių tipų modulių balansas, siekiant užtikrinti pageidaujamą standumo, ilgaamžiškumo ir lankstumo derinį..
Yra dar vienas kintamasis, į kurį reikia atsižvelgti. Viena anglies pluošto sruoga yra labai plona – daug plonesnė už žmogaus plauką, todėl jie susijungia ir sudaro vadinamąjį „kudelį“. Dviračiams vilkikas gali turėti nuo 1 000 iki 12 000 vijų, nors dažniausiai yra 3 000 (parašyta kaip 3K).
Šį pluoštą, tą pluoštą
Tai yra pagrindiniai dalykai, tačiau sukurti išdėstymą tampa sudėtinga. „Gryno stiprumo ir standumo požiūriu idealus kompozitas turėtų didžiausią įmanomą pluošto ir dervos santykį ir mažiausią pluošto lenkimą“, – sako dr. Peteris Giddingsas, Bristolio nacionalinio kompozitų centro tyrimų inžinierius. daug metų dirbo su dviračiais ir jais lenktyniavo. „Bent jau teoriškai vienkrypčiai pluoštai yra geriausias pasirinkimas. UD medžiagos turi didesnį standumo ir svorio santykį pluošto kryptimi. Deja, UD kompozitai yra labiau pažeidžiami ir, jei jie yra pažeisti, dažniau sugenda nei audiniai.’
Pagaminus rėmą tik iš UD anglies sluoksnių, dviratis būtų pavojingai trapus, jau nekalbant apie pernelyg brangų dėl medžiagų ir darbo valandų sąnaudų. Taigi dominuoja austa anglis ir yra akivaizdus pasirinkimas bet kuriai sričiai, kur yra griežtų kreivių ir sudėtingų jungčių formų. Be to, žmonėms patinka jo išvaizda. „Estetiškai manoma, kad austos medžiagos atrodo geriau nei vienakryptės medžiagos, o visuomenė suvokia, kad kompozitas yra audinys“, – sako Giddingsas. „Tiesą sakant, daugelis gamintojų dažo [todėl paslepia] vietas, kuriose rėmo konstrukcija neleidžia atrodyti lygiai, austi.“
Gamybos paprastumas taip pat turi būti įtrauktas į montavimo grafiką, kad būtų atsižvelgta į darbo sąnaudas. Sudėtingoms jungtims ir formoms sukurti idealų UD pluoštų išdėstymą užtruks daug ilgiau. Tai dar viena priežastis, kodėl austi audiniai yra pageidaujamas daugelio anglies dviračių gamintojų pasirinkimas. „Su austi audiniais lengviau dirbti nei su UD ir reikia mažiau įgūdžių, kad jis būtų pritaikytas reikiamai formai“, – sako Giddingsas. „UD turi tendenciją skilti arba susisukti aplink sudėtingas formas. Laisvai austi audiniai lengviau prisitaiko, o bendram konstrukcijos stiprumui mažiau įtakos turi smulkūs gamybos defektai.'
Tikėtina, kad gamintojai pasirinks austinės anglies pluoštą sudėtingiausiose vietose, pvz., apatiniame laikiklio ir galvutės vamzdžių jungtyse, tačiau tai vis tiek nėra taip paprasta, kaip atrodo, nes reikia atsižvelgti į kitą veiksnį. „Norite išlaikyti pluošto orientacijos tęstinumą ne tik sankryžose, bet ir per jas bei už jų“, – sako Paulas Remy, „Scott Sports“dviračių inžinierius. „Sankryžoje, pvz., apatiniame laikiklyje, gali būti sudėtingų kreivių, todėl turite galvoti, kaip tęsti pluoštų orientaciją ir perkelti apkrovą per juos.“
Štai čia rėmų inžinieriai, tokie kaip Remy, dėkoja už kompiuterių mokslo pagalbą. Anksčiau vienintelis būdas sužinoti, kaip įvairūs išdėstymo tvarkaraščio pakeitimai gali turėti įtakos galutiniam rezultatui, buvo sukurti ir išbandyti kelis prototipus, tačiau dabar išdėstymo tvarkaraštį labai tiksliai gali išbandyti kompiuteriai prieš viena pluošto gijos palietė rėmo formą.
‘Anksčiau buvo tikrai sunku žinoti, kokį poveikį kadro veikimui turės pakeitus tik vieną išdėstymo dalį“, – sako Remy.
Bob Parlee, Masačusetse įsikūrusios Parlee Cycles įkūrėjas, gana maloniai prisimena tuos senus laikus, kai kompiuteriai sumušė visus skaičius: „Jei suprantate santvaros konstrukcijos, pvz., rėmo, apkrovą, klojimas yra paprastas., todėl iš pradžių galėjau jas sugalvoti pats savo galvoje.“Nuo tada Parlee pripažino, kad kompiuterinė baigtinių elementų analizė (FEA) turi savo vietą. „Iš pradžių aš nedėčiau skylių į rėmo vamzdžius [kabelių įvesties taškams ar butelių laikiklių tvirtinimams], nes tai buvo galimos silpnos vietos, bet dabar FEA mums nurodo, ką daryti, kad tą skylę sustiprintume“, – sako jis.
Didėjanti skaičiavimo galia kartu su vis sudėtingesne programine įranga leidžia inžinieriams per trumpą laiką išanalizuoti daugybę virtualių modelių ir peržengti dizaino bei medžiagų ribas. Pasak specializuoto projektavimo inžinieriaus Chriso Meertenso, „Iteracija yra žaidimo pavadinimas“. FEA įrankiai sukuria reprezentatyvų rėmo modelį, o tikslas yra atsižvelgti į kiekvieną pluoštą. Programinė įranga leidžia man sukurti kiekvieną sluoksnį, remiantis optimizavimo modeliu 17 apkrovos atvejų, kuriuos turime modelio rėmui.’
Tai reiškia, kad programinė įranga nurodo Meertensui, kiek anglies turi būti kiekvienoje kadro srityje, ir optimalią pluoštų orientaciją. Tačiau įgūdžiai yra žinoti, kas yra įmanoma ir ko negalima naudojant anglies dioksido išdėstymą. Kartais kompiuteris išspjauna idealus, kurie toli gražu nėra idealūs. „Dažniausiai žiūriu į jį ir sakau: „Nėra būdo, kad mes to padarytume“, – sako Meertensas. „Taigi, aš užsiimu laminato uždengimo programine įranga, norėdamas iškirpti virtualius sluoksnius ir uždėti juos ant virtualaus įtvaro, remdamasis gamybos galimybėmis ir laminato optimizavimu.“
Net naudojant kompiuterinę programinę įrangą, tai iššifruoti gali užtrukti kelias dienas, o iki galutinai apibrėžtos sudėties dar reikia daug nuveikti. Vienas iš aspektų, kai labai svarbus žmogiškasis elementas, yra užtikrinti, kad tinkamoje vietoje būtų naudojamas tinkamas pluoštas. Meertensas sako: „0° pluoštas yra labai kietas, bet neturi gero smūgio stiprumo, todėl, kad kompozitas būtų atsparus pažeidimams, turime vengti per daug dėti į tokias vietas kaip vamzdžio dugnas. Šiame etape žinosiu, kokių sluoksnių formų man reikia, bet dabar noriu sužinoti, kiek kiekvieno sluoksnio. Taigi aš paleidžiu kitą optimizavimo programą, kuri man nurodo, kokio storio turėčiau juos padaryti – iš esmės sluoksnių skaičių. Jis analizuos nuo 30 iki 50 sluoksnių derinių. Virtualios dangos ir optimizavimo ciklą atliksime keturis ar penkis kartus, kiekvieną kartą šiek tiek patikslindami sluoksnius. Bet tam tikru momentu turime paspausti „Eiti“ir išsiųsti jį.’
Galutinis vadovas
Dėlimo grafikas yra tarsi 3D žemėlapis, kuriame išsamiai aprašomas kiekvienas formos anglies gabalas kiekviename sluoksnyje. „Rėmas suskirstytas į devynias zonas: dvi sėdynės, dvi grandinės, apatinis laikiklis, sėdynė, viršus, galva ir apatiniai vamzdžiai“, – sako Meertensas.„Kiekvienai zonai nurodome atskaitos tašką, kuris yra ašis. Tada kiekvieno anglies gabalo orientacija zonoje yra susieta su tuo atskaitos tašku. Žemutinis vamzdis gali turėti 45°, 30° ir 0° kampus vietinio atskaitos taško atžvilgiu. Apskritai, didesnio stiprumo medžiaga naudojama ne ašyje, kampu. Didesnio modulio medžiaga, kurią naudojame ašine kryptimi, esant 0°.’
Gautas failas gali būti iki 100 Mb dydžio ir galiausiai perduodamas gamyklai. Kiekvienas gamyklos darbuotojas gauna tik tą rėmo dalį, už kurią jis yra atsakingas. Tai vis dar nėra galutinis gamybos ciklas. Šiame etape pastatytas rėmas yra prototipas ir jį reikia išbandyti, kad skaitmeniniu būdu suprojektuotas išdėstymas būtų toks, kad rėmas veiktų praktiškai. Ultragarsas, rentgeno tyrimas ir fizinis išpjaustymas atskleidžia laminato storį. Kitur dervos matrica bus sudeginta, kad būtų atskleista laminavimo kokybė ir tai, ar medžiaga ar pluoštai migravo. Lenkimo testai turėtų rodyti tokius pačius rezultatus kaip ir FEA analizė. Tačiau galų gale jį kelyje išneša žmogus.
„Važiavimas dviračiu yra vienintelis būdas iš tikrųjų tai įvertinti“, – sako Bobas Parlee. „Galime atlikti lenkimo ir apkrovos testus, bet turime išlipti ir važiuoti, kad pamatytume, ar jis veikia taip, kaip norime.“Kai modelis praeis, gamyba pagaliau uždegama.
Didžioji dalis dviračių gaminama Tolimuosiuose Rytuose, o tai suteikia dar didesnę reikšmę statymo grafikui. Išsamus planas, jei laikomasi raidės, turėtų užtikrinti, kad iš tų didelių gamyklų gaminami produktai būtų identiški dvyniai, nei tie, kurie buvo išbandyti ir patvirtinti galutiniame prototipo etape. Žinoma, dauguma prekių ženklų nuolatos testuoja ir iš naujo išbando gamybos rėmus, kad užtikrintų nuoseklumą, kad parduotuves pasiekiantys dviračiai atitiktų klientų lūkesčius. Daugeliu atvejų gamintojai taip pat gali atsekti visą rėmo kelionę iki pat pirmųjų pluošto gijų ištakų. Apie tai verta pagalvoti, kai kitą kartą stovėsite ir žavitės savo pasididžiavimu ir džiaugsmu.
