Pengilang suka membanggakan tentang simpanan gentian karbon, jadi Penunggang Basikal memutuskan untuk menyiasat maksud ini dan cara ia mempengaruhi prestasi
Sebuah basikal, sudah tentu, adalah hadiah Krismas terbaik yang pernah ada, tetapi dengan kemungkinan pengecualian anak anjing, ia juga yang paling sukar untuk dibalut. Jadi kasihan kepada pereka bingkai yang lemah yang terpaksa membalut dan menyarung karbon di sekeliling lengkung kompleksnya supaya, apabila dibakar dan siap, bingkai itu memberikan rasa tunggangan yang diingini. Pembinaan rangka gentian karbon ialah teka-teki 3D kompleks yang mengatasi Kiub Rubik.
Keindahan karbon ialah, tidak seperti logam, beberapa kepingan boleh dilapisi pada pelbagai peringkat persimpangan dan bertindih untuk memberikan kawalan yang sangat ketat ke atas sifat prestasi dan kekuatan yang diperlukan pada mana-mana titik rangka basikal. Kelemahannya ialah karbon adalah anisotropik - ia lebih kuat dalam satu arah daripada yang lain dengan cara yang serupa dengan kayu - yang bermaksud kekuatan bergantung pada arah gentian. Untuk karbon membawa beban yang ketara, daya mesti diarahkan sepanjang gentiannya, yang menjadikan arah gentian amat penting. Bahagian konstituen rangka basikal mengalami daya dalam beberapa arah, bermakna gentian karbon mesti berjalan dalam beberapa arah juga. Itulah sebabnya lapisan yang berbeza mempunyai gentiannya pada sudut yang berbeza, biasanya 0° (selaras), +45°, -45°, +90° dan -90°, dan sememangnya mana-mana sudut yang dipilih oleh pereka bentuk jika ia akan mencipta atribut yang diingini.
Di kedalaman
Begitulah keadaannya untuk semua bingkai karbon. Di bawah bahagian luar yang berkilauan terdapat banyak lapisan kepingan gentian karbon yang kekakuan, kekuatan, bentuk, saiz, kedudukan dan orientasinya telah dirancang dengan teliti, biasanya dengan gabungan pakej perisian komputer dan kepakaran jurutera. Ini dikenali sebagai jadual lay-up, atau hanya lay-up. Apabila jigsaw karbon disiapkan, basikal mestilah ringan, responsif, kos efektif dan mampu menahan daya kayuhan yang paling ekstrem.
Profesor Dan Adams, pengarah makmal mekanik komposit di University of Utah di S alt Lake City, sendiri seorang penunggang basikal yang berminat dan terlibat dengan pembangunan rangka karbon pertama Trek, mengatakan bahawa membina apa sahaja daripada karbon adalah segala-galanya tentang jadual lay-up yang betul. 'Ia menentukan orientasi lapisan individu atau lapisan prepreg karbon/epoksi, disusun untuk membuat ketebalan bahagian akhir, ' katanya. 'Sesetengah bahagian bingkai lebih mudah untuk diletakkan berbanding yang lain. Tiub ini agak mudah tetapi persimpangan di antaranya adalah beberapa susun lapis yang paling kompleks yang anda akan lihat di bahagian pengeluaran dalam mana-mana industri yang menggunakan karbon secara struktur, termasuk aeroangkasa dan automotif.’
Sifat anisotropik karbon juga menjadikan pemilihan karbon yang betul penting. Paling mudah, terdapat dua cara karbon dibekalkan. Unidirectional (UD) mempunyai semua gentian karbon berjalan dalam satu arah, selari antara satu sama lain. Alternatif kepada UD ialah kain tenunan, atau ‘kain’. Ia mempunyai gentian yang berjalan dalam dua arah, di bawah dan di atas satu sama lain pada sudut tepat untuk memberikan penampilan klasik gentian karbon. Dalam fabrik yang paling ringkas, dikenali sebagai tenunan biasa, gentian bertali di bawah dan ke atas pada setiap silangan (dipanggil '1/1') untuk menghasilkan corak seperti grid. Terdapat banyak lagi corak tenunan yang mungkin. Twill (2/2) lebih longgar sedikit supaya lebih mudah dibalut dan mudah dikenali dengan corak pepenjurunya, yang kelihatan seperti chevron.
Modulus (ukuran keanjalan) gentian juga merupakan asas kepada susun atur yang diberikan. Modulus mentakrifkan betapa kaku gentian. Gentian modulus standard, berkadar pada 265 gigapascals (GPa) adalah kurang kaku daripada gentian modulus perantaraan berkadar pada 320GPa. Kurang karbon modulus yang lebih tinggi diperlukan untuk membuat komponen dengan kekakuan yang sama, yang menghasilkan produk yang lebih ringan. Oleh itu gentian modulus yang lebih tinggi mungkin kelihatan seperti pilihan yang lebih baik, tetapi ada tangkapan. Analogi boleh dibuat dengan gelang getah berbanding sekeping spageti. Gelang getah adalah sangat elastik (mempunyai modulus yang rendah) dan boleh difleksi dengan daya yang sangat sedikit tetapi tidak akan pecah, ditambah ia akan kembali kepada bentuk asalnya selepas dibengkokkan. Spaghetti, sebaliknya, adalah sangat kaku (modulus tinggi) jadi akan menahan ubah bentuk ke satu titik, dan kemudian hanya pecah. Jabatan pemasaran sering bermegah tentang kemasukan modulus gentian tertentu dalam reka bentuk bingkai terkini, tetapi dalam kebanyakan kes bingkai basikal adalah keseimbangan teliti beberapa jenis modulus dalam susun atur untuk memberikan gabungan kekakuan, ketahanan dan kelenturan yang diingini..
Terdapat satu lagi pembolehubah untuk dipertimbangkan. Sehelai tunggal gentian karbon adalah sangat nipis - jauh lebih nipis daripada rambut manusia, jadi ia disatukan untuk membentuk apa yang dipanggil 'tunda'. Untuk basikal, tunda boleh mengandungi apa-apa sahaja antara 1, 000 dan 12, 000 helai, walaupun 3, 000 (ditulis sebagai 3K) adalah yang paling biasa.
Serat ini, serat itu
Itu adalah asas, tetapi membuat susun atur menjadi rumit. 'Dari sudut kekuatan tulen dan kekakuan pandangan komposit yang ideal akan mempunyai bahagian tertinggi serat kepada resin yang mungkin dan paling sedikit lentur dalam gentian,' kata Dr Peter Giddings, seorang jurutera penyelidik di Pusat Komposit Nasional, Bristol, yang telah bekerja dengan basikal dan berlumba selama bertahun-tahun. 'Serat satu arah, secara teori sekurang-kurangnya, adalah pilihan terbaik untuk ini. Bahan UD mempunyai nisbah kekakuan kepada berat yang meningkat dalam arah gentian. Malangnya komposit UD lebih terdedah kepada kerosakan dan, apabila rosak, lebih berkemungkinan gagal daripada fabrik tenunan.’
Untuk membina bingkai secara eksklusif daripada lapisan karbon UD akan menghasilkan basikal yang sangat rapuh, apatah lagi harganya yang terlampau mahal kerana kos bahan dan jam kerja. Oleh itu karbon tenunan mendominasi dan merupakan pilihan yang jelas untuk mana-mana kawasan yang terdapat lengkungan yang ketat dan bentuk sendi yang kompleks. Lebih-lebih lagi, orang suka penampilannya. 'Secara estetik, bahan tenunan dianggap kelihatan lebih baik daripada bahan satu arah dan persepsi orang ramai terhadap komposit adalah kain tenunan,' kata Giddings. ‘Malah, banyak pengeluar mengecat [oleh itu menyembunyikan] kawasan di mana pembinaan bingkai menghalang penampilan tenunan yang licin.’
Kemudahan fabrikasi juga perlu diambil kira dalam jadual lay-up untuk mengambil kira kos buruh. Untuk sambungan dan bentuk yang kompleks, ia akan mengambil masa yang lebih lama untuk mencipta susun atur yang ideal dengan gentian UD. Ini satu lagi sebab mengapa fabrik tenunan menjadi pilihan utama kebanyakan pengeluar basikal karbon. 'Kain tenunan lebih mudah digunakan daripada UD dan memerlukan kurang kemahiran untuk menyesuaikannya dengan bentuk yang diperlukan, ' kata Giddings. 'UD mempunyai kecenderungan untuk membelah atau berbelit di sekeliling bentuk yang kompleks. Fabrik tenunan longgar menyesuaikan dengan lebih mudah dan kekuatan keseluruhan struktur kurang dipengaruhi oleh kecacatan pembuatan kecil.’
Pengilang mungkin memilih susun atur dengan karbon tenunan di kawasan paling kompleks, seperti kurungan bawah dan persimpangan tiub kepala, tetapi ia masih tidak semudah yang didengar kerana terdapat faktor lain yang perlu dipertimbangkan. 'Anda mahu mengekalkan kesinambungan orientasi gentian bukan sahaja di sekitar persimpangan, tetapi melalui dan di luarnya,' kata Paul Remy, seorang jurutera basikal di Scott Sports. 'Mungkin terdapat lengkungan yang kompleks di persimpangan seperti kurungan bawah jadi anda perlu memikirkan cara untuk meneruskan orientasi gentian, untuk memindahkan pemuatan ke seluruhnya.'
Di sinilah jurutera bingkai seperti Remy berterima kasih atas bantuan sains komputer. Pada masa lalu, satu-satunya cara untuk mengetahui bagaimana pelbagai perubahan jadual susun atur mungkin menjejaskan hasil akhir adalah dengan membina dan menguji berbilang prototaip, tetapi kini jadual susun atur boleh diuji dengan tahap ketepatan yang sangat tinggi oleh komputer sebelum seuntai gentian tunggal telah mendarat dalam acuan bingkai.
‘Sebelum ini amat sukar untuk mengetahui kesan perubahan hanya satu bahagian daripada susun atur pada prestasi bingkai,’ kata Remy.
Bob Parlee, pengasas Parlee Cycles yang berpangkalan di Massachusetts, masih mengingati zaman dahulu sebelum komputer melakukan semua nombor dengan agak suka: 'Jika anda memahami beban pada struktur kekuda seperti bingkai, susun atur adalah mudah, jadi pada mulanya saya boleh menyelesaikannya sendiri dalam kepala saya.' Parlee sejak itu mengakui analisis unsur terhingga komputer (FEA) mempunyai tempatnya. 'Pada asalnya saya tidak akan meletakkan lubang pada tiub bingkai [untuk titik masuk kabel atau pemasangan sangkar botol] kerana ia berpotensi menjadi titik lemah, tetapi kini FEA memberitahu kami apa yang perlu dilakukan untuk mengukuhkan lubang itu,' katanya.
Meningkatkan kuasa pengkomputeran bersama-sama dengan perisian yang lebih canggih membolehkan jurutera menganalisis banyak model maya dalam masa yang singkat dan menolak sempadan reka bentuk dan bahan. Menurut jurutera reka bentuk khusus Chris Meertens, 'Lelaran ialah nama permainan. Alat FEA mencipta model yang mewakili bingkai dan matlamatnya adalah untuk memastikan setiap gentian diambil kira. Perisian ini membolehkan saya mereka bentuk setiap lapis, berdasarkan model pengoptimuman untuk 17 kes beban yang kami ada untuk bingkai model.’
Maksudnya ialah perisian mengarahkan Meertens berapa banyak karbon yang sepatutnya ada dalam setiap kawasan bingkai, dan orientasi optimum untuk gentian. Kemahiran, bagaimanapun, adalah dalam mengetahui perkara yang boleh dan tidak boleh dilakukan dengan penyediaan karbon. Kadangkala komputer memuntahkan cita-cita yang jauh dari ideal. 'Kebanyakan masa saya melihatnya dan berkata, "Tidak ada cara kita boleh melakukannya, "' kata Meertens. 'Jadi, saya sibuk dengan perisian laminate draping untuk memotong lapisan maya dan melabuhkannya pada mandrel maya, berdasarkan kebolehlaksanaan pembuatan dan pengoptimuman lamina.'
Walaupun menggunakan perisian komputer ini boleh mengambil masa berhari-hari untuk dihurai, dan masih banyak lagi yang perlu dilakukan sebelum susun atur akhirnya ditentukan. Satu aspek di mana elemen manusia adalah penting ialah memastikan gred gentian yang betul digunakan di tempat yang betul. Meertens berkata, 'fiber 0° adalah sangat kaku tetapi tidak mempunyai kekuatan impak yang baik jadi, untuk memastikan kerosakan komposit bertolak ansur, kita perlu mengelak daripada meletakkan terlalu banyak di tempat seperti bahagian bawah tiub bawah. Saya akan tahu pada peringkat ini apa bentuk lapis yang saya perlukan, tetapi sekarang saya ingin tahu berapa banyak setiap lapis. Jadi saya menjalankan program pengoptimuman lain yang memberitahu saya betapa tebalnya saya harus membuatnya - pada asasnya bilangan lapisan. Ia akan menganalisis mana-mana dari 30 hingga 50 kombinasi lapisan. Kami akan melalui kitaran draping dan pengoptimuman maya empat atau lima kali, memperhalusi lapisan setiap kali. Tetapi pada satu ketika kita perlu menekan “Pergi” dan menghantarnya.’
Panduan muktamad
Jadual susun atur adalah seperti peta 3D, memperincikan setiap kepingan karbon berbentuk dalam setiap lapisan. 'Bingkai itu dibahagikan kepada sembilan zon: dua tempat duduk, dua tempat duduk, pendakap bawah, tempat duduk, tiub atas, kepala dan bawah,' kata Meertens.'Kami menentukan datum, yang merupakan paksi, untuk setiap zon. Orientasi setiap kepingan karbon dalam zon kemudiannya berkaitan dengan datum tersebut. Tiub bawah mungkin mempunyai lapisan pada 45°, 30° dan 0° berbanding dengan datum tempatan. Secara umum, bahan kekuatan yang lebih tinggi digunakan di luar paksi, pada sudut. Bahan modulus yang lebih tinggi yang kami gunakan secara paksi, pada 0°.’
Fail yang terhasil boleh bersaiz sehingga 100Mb dan akhirnya dihantar ke tingkat kilang. Setiap pekerja di kilang hanya menerima bahagian yang berkaitan dengan bahagian bingkai yang mereka bertanggungjawab untuk mencipta. Ini masih bukan pengeluaran terakhir. Bingkai yang dibina adalah prototaip pada peringkat ini dan ia perlu diuji untuk memastikan susun atur yang direka secara digital menghasilkan bingkai yang berfungsi dalam amalan. Ultrasound, pemeriksaan sinar-X dan pembedahan fizikal mendedahkan ketebalan lamina. Di tempat lain matriks resin akan dibakar untuk mendedahkan kualiti laminasi dan sama ada bahan atau gentian telah berhijrah. Ujian lenturan harus menunjukkan keputusan yang sama seperti analisis FEA. Pada akhirnya, manusia yang membawanya keluar di jalan raya.
‘Menunggang basikal adalah satu-satunya cara kita benar-benar dapat mengukurnya, ' kata Bob Parlee. ‘Kami boleh melakukan ujian lenturan dan beban tetapi kami perlu keluar dan menunggangnya untuk melihat sama ada ia berfungsi seperti yang kami mahukan.’ Apabila model itu berjaya, pengeluaran akhirnya diberi lampu hijau.
Kebanyakan pengeluaran basikal berlaku di Timur Jauh, dan ini lebih mementingkan jadual susun atur. Pelan yang terperinci, jika diikuti dengan surat, harus memastikan produk yang keluar dari kilang besar tersebut adalah kembar yang sama daripada yang diuji dan lulus pada peringkat prototaip akhir. Sudah tentu kebanyakan jenama sentiasa menguji dan menguji semula bingkai pengeluaran untuk memastikan konsistensi supaya basikal yang sampai ke kedai memenuhi jangkaan pelanggan. Dalam kebanyakan kes pengeluar juga boleh mengesan keseluruhan perjalanan bingkai, kembali ke asal usul helai gentian yang pertama. Perkara yang perlu difikirkan apabila anda berdiri dan mengagumi kebanggaan dan kegembiraan anda.
