Các nhà sản xuất thích khoe khoang về lớp sợi carbon, vì vậy Người đi xe đạp quyết định điều tra điều này có nghĩa là gì và nó ảnh hưởng như thế nào đến hiệu suất
Một chiếc xe đạp, không cần phải nói, là món quà Giáng sinh tuyệt vời nhất từ trước đến nay, nhưng ngoại trừ một chú chó con, nó cũng là món quà khó gói nhất. Vì vậy, tiếc cho nhà thiết kế khung nghèo, người phải bọc và phủ carbon xung quanh các đường cong phức tạp của nó để khi nung và hoàn thiện, khung mang lại cảm giác lái mong muốn. Việc xây dựng khung bằng sợi carbon là một trò chơi 3D phức tạp làm lu mờ khối Rubik.
Vẻ đẹp của carbon là, không giống như kim loại, nhiều mảnh có thể được xếp lớp ở các mức độ giao nhau và chồng lên nhau để kiểm soát rất chặt chẽ các thuộc tính hiệu suất và sức mạnh cần thiết tại bất kỳ điểm nhất định nào của khung xe đạp. Nhược điểm là carbon có tính dị hướng - nó mạnh hơn theo hướng này so với hướng khác theo cách tương tự như gỗ - có nghĩa là độ bền phụ thuộc vào hướng của các sợi. Để cacbon mang tải trọng đáng kể, các lực phải được hướng dọc theo các sợi của nó, điều này làm cho hướng của sợi hoàn toàn quan trọng. Các bộ phận cấu thành của khung xe đạp chịu lực theo nhiều hướng, nghĩa là các sợi carbon cũng phải chạy theo nhiều hướng. Đó là lý do tại sao các lớp khác nhau có các sợi của chúng ở các góc khác nhau, thường là 0 ° (thẳng hàng), + 45 °, -45 °, + 90 ° và -90 °, và thực sự là bất kỳ góc nào được các nhà thiết kế chọn nếu nó sẽ tạo ra các thuộc tính mong muốn.
Trong sâu thẳm
Đó là cách áp dụng cho tất cả các khung carbon. Bên dưới lớp vỏ ngoài bóng bẩy là nhiều lớp sợi carbon có độ cứng, độ bền, hình dạng, kích thước, vị trí và hướng đã được lên kế hoạch cẩn thận, thường là sự kết hợp của các gói phần mềm máy tính và chuyên môn của các kỹ sư. Đây được gọi là lịch trình sắp xếp, hoặc chỉ việc sắp xếp. Khi hoàn thành việc ghép hình carbon, chiếc xe đạp phải nhẹ, nhạy, tiết kiệm chi phí và có thể chịu được những lực khắc nghiệt nhất khi đạp xe.
Giáo sư Dan Adams, giám đốc phòng thí nghiệm cơ học vật liệu tổng hợp tại Đại học Utah ở Thành phố S alt Lake, bản thân là một tay đua xe đạp nhạy bén và người đã tham gia vào quá trình phát triển khung carbon đầu tiên của Trek, nói rằng xây dựng bất cứ thứ gì từ carbon là tất cả về lịch trình bố trí chính xác. Ông nói: “Nó chỉ định hướng của từng lớp hoặc từng lớp carbon / epoxy, được xếp chồng lên nhau để tạo nên độ dày của phần cuối cùng. ‘Một số bộ phận khung dễ xếp hơn những bộ phận khác. Các ống này tương đối đơn giản nhưng các điểm nối giữa chúng là một số lớp phức tạp nhất mà bạn sẽ thấy trong các bộ phận sản xuất trong bất kỳ ngành nào sử dụng cấu trúc carbon, bao gồm cả hàng không vũ trụ và ô tô. '
Bản chất dị hướng củaCarbon cũng khiến việc lựa chọn carbon phù hợp rất quan trọng. Đơn giản nhất, có hai cách để cung cấp carbon. Unidirectional (UD) có tất cả các sợi carbon chạy theo một hướng, song song với nhau. Thay thế cho UD là một loại vải dệt thoi, hoặc "vải". Nó có các sợi chạy theo hai hướng, đi dưới và chồng lên nhau theo các góc vuông để tạo ra vẻ ngoài cổ điển của sợi carbon. Trong loại vải đơn giản nhất, được gọi là vải dệt trơn, các sợi ren dưới và chồng lên nhau ở mỗi lần cắt (được gọi là '1/1') để tạo ra một mô hình giống như lưới. Có nhiều kiểu dệt có thể có khác. Twill (2/2) lỏng hơn một chút nên dễ xếp nếp hơn và dễ dàng nhận ra nhờ họa tiết đường chéo, trông giống như chữ v.
Môđun (thước đo độ đàn hồi) của sợi cũng là yếu tố cơ bản đối với một cấu trúc nhất định. Môđun xác định độ cứng của một sợi. Sợi môđun tiêu chuẩn, được đánh giá ở 265 gigapascal (GPa) ít cứng hơn so với sợi mô đun trung gian được đánh giá ở 320GPa. Cần ít carbon mô đun cao hơn để tạo ra các thành phần có cùng độ cứng, dẫn đến sản phẩm nhẹ hơn. Do đó, sợi có mô đun cao hơn có thể là lựa chọn thích hợp hơn, nhưng có một điểm khó khăn. Một sự tương tự có thể được thực hiện với một sợi dây chun với một miếng mì Ý. Dây cao su rất đàn hồi (có mô đun thấp) và có thể bị uốn với rất ít lực tác dụng nhưng sẽ không bị đứt, thêm vào đó nó sẽ trở lại hình dạng ban đầu sau khi uốn. Mặt khác, spaghetti rất cứng (mô đun cao) nên sẽ chống lại sự biến dạng đến một điểm, và sau đó chỉ đơn giản là vỡ. Các bộ phận tiếp thị thường tự hào về việc đưa một mô-đun sợi nhất định vào thiết kế khung mới nhất, nhưng trong hầu hết các trường hợp, khung xe đạp là sự cân bằng cẩn thận của một số loại mô-đun trong quá trình bố trí để mang lại sự kết hợp mong muốn giữa độ cứng, độ bền và độ uốn.
Có một biến số khác cần xem xét. Một sợi carbon cực kỳ mỏng - mỏng hơn rất nhiều so với sợi tóc của con người, vì vậy chúng được bó lại với nhau để tạo thành cái được gọi là 'tow'. Đối với xe đạp, một chiếc cần kéo có thể chứa bất cứ thứ gì từ 1, 000 đến 12, 000 sợi, mặc dù 3, 000 (được viết là 3K) là phổ biến nhất.
Sợi này, sợi kia
Đó là những điều cơ bản, nhưng việc tạo ra một lớp sẽ trở nên phức tạp. Tiến sĩ Peter Giddings, một kỹ sư nghiên cứu tại Trung tâm Composites Quốc gia, Bristol, người đã đã làm việc với xe đạp và đua chúng trong nhiều năm. ‘Ít nhất về mặt lý thuyết, sợi một chiều là sự lựa chọn tốt nhất cho việc này. Vật liệu UD có tỷ lệ độ cứng trên trọng lượng tăng lên theo hướng sợi. Thật không may, vật liệu tổng hợp UD dễ bị hư hại hơn và một khi bị hư hỏng sẽ dễ hỏng hơn vải dệt thoi.’
Việc chế tạo một khung hoàn toàn từ các lớp carbon UD sẽ tạo ra một chiếc xe đạp dễ gãy một cách nguy hiểm, chưa kể đến việc cực kỳ tốn kém do chi phí vật liệu và giờ công. Do đó, carbon dệt chiếm ưu thế và là sự lựa chọn hiển nhiên cho bất kỳ khu vực nào có đường cong chặt chẽ và hình dạng khớp phức tạp. Hơn nữa, mọi người thích vẻ ngoài của nó. Giddings nói: “Về mặt thẩm mỹ, vật liệu dệt được coi là trông đẹp hơn vật liệu đơn hướng và công chúng nhận thức về vật liệu tổng hợp là vải dệt thoi. ‘Trên thực tế, nhiều nhà sản xuất sơn [do đó che giấu] các khu vực mà kết cấu khung ngăn cản vẻ ngoài mịn, dệt.”
Tính dễ chế tạo cũng phải được tính vào lịch trình bố trí để tính đến chi phí lao động. Đối với các khớp và hình dạng phức tạp, sẽ mất nhiều thời gian hơn để tạo ra lớp lý tưởng với sợi UD. Đó là một lý do khác khiến vải dệt thoi là lựa chọn ưu tiên của hầu hết các nhà sản xuất xe đạp carbon. Giddings cho biết: “Vải dệt thoi dễ gia công hơn UD và đòi hỏi ít kỹ năng hơn để chỉnh sửa nó theo hình dạng yêu cầu. ‘UD có xu hướng phân tách hoặc gấp khúc xung quanh các hình dạng phức tạp. Các loại vải dệt thưa dễ dàng phù hợp hơn và độ bền tổng thể của cấu trúc ít bị ảnh hưởng bởi các lỗi sản xuất nhỏ.’
Các nhà sản xuất có khả năng chọn phủ carbon dệt ở những khu vực phức tạp nhất, chẳng hạn như giá đỡ dưới cùng và các điểm nối ống đầu, nhưng nó vẫn không đơn giản như nó có vẻ bởi vì còn một yếu tố khác cần xem xét. Paul Remy, một kỹ sư xe đạp tại Scott Sports cho biết: “Bạn muốn duy trì sự liên tục của định hướng sợi không chỉ xung quanh các điểm giao nhau mà còn xuyên suốt và xa hơn chúng,” Paul Remy, một kỹ sư xe đạp tại Scott Sports cho biết. "Có thể có những đường cong phức tạp tại một điểm nối, chẳng hạn như giá đỡ dưới cùng, vì vậy bạn phải nghĩ cách để tiếp tục định hướng của các sợi, để truyền tải xuyên suốt chúng."
Tại đây, các kỹ sư khung như Remy rất biết ơn sự hỗ trợ của khoa học máy tính. Trước đây, cách duy nhất để biết các thay đổi lịch trình sắp xếp khác nhau có thể ảnh hưởng như thế nào đến kết quả cuối cùng là xây dựng và thử nghiệm nhiều nguyên mẫu, nhưng giờ đây, một lịch trình sắp xếp có thể được máy tính kiểm tra với mức độ chính xác rất cao trước khi sợi đơn đã chạm xuống trong khuôn khung.
‘Trước đây rất khó để biết chỉ thay đổi một phần của bố cục sẽ có ảnh hưởng gì đến hiệu suất của khung hình,” Remy nói.
Bob Parlee, người sáng lập Parlee Cycles có trụ sở tại Massachusetts, nhớ lại những ngày xưa trước khi máy tính thực hiện tất cả các con số khá thú vị: 'Nếu bạn hiểu các tải trọng trên cấu trúc giàn chẳng hạn như khung, việc sắp xếp rất đơn giản, vì vậy ban đầu tôi có thể tự tìm hiểu chúng trong đầu.”Kể từ đó, Parlee đã thừa nhận rằng phân tích phần tử hữu hạn trên máy tính (FEA) có vị trí của nó. "Ban đầu, tôi sẽ không đặt các lỗ trên ống khung [đối với điểm vào cáp hoặc giá treo lồng chai] vì chúng là những điểm yếu tiềm ẩn, nhưng bây giờ FEA cho chúng tôi biết phải làm gì để gia cố lỗ đó", anh ấy nói.
Việc tăng sức mạnh tính toán cùng với phần mềm ngày càng phức tạp hơn cho phép các kỹ sư phân tích nhiều mô hình ảo trong thời gian ngắn và vượt qua ranh giới của thiết kế và vật liệu. Theo kỹ sư thiết kế chuyên ngành Chris Meertens, ‘Iteration là tên của trò chơi. Các công cụ của FEA tạo ra một mô hình đại diện của khung và mục tiêu là thu được mọi sợi quang. Phần mềm cho phép tôi thiết kế từng lớp, dựa trên mô hình tối ưu hóa cho 17 trường hợp tải mà chúng tôi có cho khung mô hình.’
Điều đó có nghĩa là phần mềm hướng dẫn Meertens nên có bao nhiêu carbon trong mỗi khu vực của khung và định hướng tối ưu cho các sợi. Tuy nhiên, kỹ năng nằm ở chỗ biết được điều gì được và không được khi tích lũy carbon. Đôi khi máy tính phun ra những lý tưởng khác xa với lý tưởng. "Hầu hết thời gian tôi nhìn vào nó và nói," Không có cách nào chúng tôi có thể làm được điều đó ", Meertens nói. "Vì vậy, sau đó tôi bận rộn với phần mềm xếp nếp cán mỏng để cắt các miếng ghép ảo và dán chúng lên một trục gá ảo, dựa trên tính khả thi trong sản xuất và tối ưu hóa cán mỏng."
Ngay cả khi sử dụng phần mềm máy tính, điều này có thể mất nhiều ngày để giải mã và vẫn còn một chặng đường dài phía trước trước khi quá trình hoàn thiện cuối cùng được xác định. Một khía cạnh mà yếu tố con người là cần thiết là đảm bảo đúng loại sợi được sử dụng đúng chỗ. Meertens cho biết, 'sợi 0 ° rất cứng nhưng không có độ bền va đập tốt, vì vậy, để giữ cho composite chịu được thiệt hại, chúng ta phải tránh đặt quá nhiều ở những nơi như đáy ống xuống. Đến giai đoạn này, tôi sẽ biết mình cần hình dạng lớp nào, nhưng bây giờ tôi muốn biết mỗi lớp có bao nhiêu hình dạng. Vì vậy, tôi chạy một chương trình tối ưu hóa khác cho tôi biết tôi nên làm chúng dày bao nhiêu - về cơ bản là số lớp. Nó sẽ phân tích bất kỳ nơi nào từ 30 đến 50 tổ hợp của các lớp. Chúng tôi sẽ thực hiện chu kỳ tạo màn và tối ưu hóa ảo bốn hoặc năm lần, mỗi lần sẽ tinh chỉnh thêm một chút. Nhưng tại một số thời điểm, chúng tôi cần nhấn “Bắt đầu” và gửi đi.’
Hướng dẫn dứt khoát
Lịch trình xếp lớp giống như một bản đồ 3D, trình bày chi tiết từng mảnh carbon định hình trong từng lớp. Meertens cho biết: “Khung được chia thành chín khu vực: hai chỗ ngồi, hai chỗ dựa, giá đỡ phía dưới, chỗ ngồi, trên cùng, đầu và ống xuống,” Meertens nói.‘Chúng tôi chỉ định dữ liệu, là một trục, cho mỗi vùng. Định hướng của mỗi mảnh carbon trong một vùng sau đó liên quan đến mức dữ liệu đó. Ống xuống có thể có các rãnh ở 45 °, 30 ° và 0 ° so với mốc cục bộ. Nói chung, vật liệu có độ bền cao hơn được sử dụng lệch trục, ở một góc. Vật liệu mô đun cao hơn mà chúng tôi sử dụng theo trục, ở 0 °.’
Tệp kết quả có thể có kích thước lên đến 100Mb và cuối cùng được chuyển đến sàn nhà máy. Mỗi công nhân trong nhà máy chỉ nhận phần liên quan đến phần khung mà họ chịu trách nhiệm tạo ra. Đây vẫn chưa phải là lần chạy sản xuất cuối cùng. Khung được chế tạo là một nguyên mẫu ở giai đoạn này và nó cần được kiểm tra để đảm bảo kết quả sắp xếp được thiết kế kỹ thuật số trong một khung hoạt động trong thực tế. Siêu âm, kiểm tra bằng tia X và bóc tách vật lý cho thấy độ dày của lớp mỏng. Ở những nơi khác, ma trận nhựa sẽ được đốt cháy để thể hiện chất lượng của cán màng và liệu vật liệu hoặc sợi có di chuyển hay không. Các thử nghiệm uốn phải cho kết quả giống như phân tích FEA. Tuy nhiên, cuối cùng, chính con người mới là người đưa nó ra đường.
‘Đi xe đạp là cách duy nhất mà chúng tôi có thể thực sự định lượng nó,’ Bob Parlee nói. "Chúng tôi có thể thực hiện các bài kiểm tra độ uốn và tải trọng nhưng chúng tôi cần phải ra ngoài và lái nó để xem liệu nó có hoạt động như chúng tôi muốn hay không."
Hầu hết việc sản xuất xe đạp diễn ra ở Viễn Đông, và điều này càng đặt tầm quan trọng lớn hơn đối với lịch trình lắp ráp. Kế hoạch chi tiết tinh xảo, nếu được tuân theo trong thư, phải đảm bảo các sản phẩm từ các nhà máy lớn đó là những sản phẩm sinh đôi giống hệt nhau của những sản phẩm đã được thử nghiệm và thông qua ở giai đoạn nguyên mẫu cuối cùng. Tất nhiên, hầu hết các thương hiệu liên tục kiểm tra và thử nghiệm lại khung sản xuất để đảm bảo tính nhất quán để những chiếc xe đạp đến cửa hàng đáp ứng được mong đợi của khách hàng. Trong hầu hết các trường hợp, các nhà sản xuất cũng có thể theo dõi toàn bộ hành trình của khung, quay trở lại nguồn gốc của những sợi sợi đầu tiên. Đó là điều cần nghĩ đến trong lần tới khi bạn đứng và ngưỡng mộ niềm tự hào và niềm vui của mình.
