تولیدکنندگان دوست دارند درباره چیدمان فیبر کربن به رخ بکشند، بنابراین Cyclist تصمیم گرفت معنی این کار و تأثیر آن بر عملکرد را بررسی کند
دوچرخه، ناگفته نماند، بهترین هدیه کریسمس تا کنون است، اما به استثنای یک توله سگ، بسته بندی آن نیز سخت ترین است. بنابراین متاسفم برای طراح ضعیف قاب که مجبور است کربن را در اطراف منحنی های پیچیده خود بپیچد و بپوشاند تا وقتی پخت و تمام شد، قاب حس سواری مورد نظر را ارائه دهد. ساخت یک قاب فیبر کربن یک پازل سه بعدی پیچیده است که مکعب روبیک را تحت الشعاع قرار می دهد.
زیبایی کربن در این است که برخلاف فلز، چندین قطعه را می توان در درجات مختلف تقاطع و همپوشانی لایه ها قرار داد تا کنترل بسیار دقیقی بر ویژگی های عملکرد و استحکام مورد نیاز در هر نقطه از قاب دوچرخه ایجاد کند.نکته منفی این است که کربن ناهمسانگرد است - در یک جهت از جهتی مشابه چوب قوی تر است - که به این معنی است که استحکام به جهت الیاف بستگی دارد. برای اینکه کربن بتواند بارهای قابل توجهی را حمل کند، نیروها باید در امتداد الیاف آن هدایت شوند، که جهت فیبر را کاملاً حیاتی می کند. بخش‌های تشکیل‌دهنده قاب دوچرخه در چندین جهت نیرو را تجربه می‌کنند، به این معنی که الیاف کربن نیز باید در چندین جهت حرکت کنند. به همین دلیل است که لایه های مختلف الیاف خود را در زوایای مختلف دارند، معمولاً 0 درجه (در خط)، +45 درجه، -45 درجه، 90 + درجه و 90- درجه، و در واقع هر زاویه ای که توسط طراحان انتخاب می شود اگر ویژگی های مورد نظر را ایجاد کند..
در اعماق
برای همه قاب های کربنی اینگونه است. در زیر نمای بیرونی براق، لایه‌های زیادی از قطعات فیبر کربنی وجود دارد که سختی‌ها، استحکام، شکل‌ها، اندازه‌ها، موقعیت‌ها و جهت‌گیری‌ها معمولاً با ترکیبی از بسته‌های نرم‌افزاری رایانه‌ای و تخصص مهندسان، به سختی برنامه‌ریزی شده‌اند.این به عنوان برنامه lay-up یا فقط lay-up شناخته می شود. هنگامی که اره منبت کاری اره مویی کربن کامل شد، دوچرخه باید سبک، پاسخگو، مقرون به صرفه و قادر به تحمل شدیدترین نیروهای دوچرخه سواری باشد.
پروفسور دن آدامز، مدیر آزمایشگاه مکانیک کامپوزیت در دانشگاه یوتا در سالت لیک سیتی، که خود دوچرخه سواری مشتاق است و با توسعه اولین فریم های کربنی Trek درگیر بود، می گوید که ساختن هر چیزی از کربن همه چیز است. در مورد برنامه صحیح آماده سازی او می‌گوید: «جهت تک تک لایه‌ها یا لایه‌های پیش آغشته به کربن/اپوکسی را مشخص می‌کند که روی هم چیده شده‌اند تا ضخامت قسمت نهایی را ایجاد کنند.» برخی از قطعات قاب نسبت به سایرین آسان تر است. لوله‌ها نسبتاً ساده هستند، اما اتصالات بین آنها از پیچیده‌ترین لایه‌آپ‌هایی است که در تولید قطعات در هر صنعتی که از کربن به صورت ساختاری استفاده می‌کند، از جمله هوافضا و خودرو، می‌بینید.'
ماهیت ناهمسانگرد کربن نیز انتخاب کربن مناسب را بسیار مهم می کند.در ساده ترین حالت، دو راه برای تامین کربن وجود دارد. Unidirectional (UD) دارای تمام الیاف کربن در یک جهت موازی با یکدیگر است. جایگزین UD یک پارچه بافته شده یا "پارچه" است. این الیاف دارای الیافی است که در دو جهت حرکت می کنند و با زوایای قائم از زیر و روی یکدیگر می روند تا ظاهر کلاسیک فیبر کربن را ایجاد کنند. در ساده‌ترین پارچه، که به بافت ساده معروف است، الیاف در هر تقاطع زیر و رو می‌شوند (موسوم به "1/1") تا یک طرح شبکه مانند ایجاد کنند. بسیاری از الگوهای بافت ممکن دیگر وجود دارد. Twill (2/2) کمی شل‌تر است، بنابراین پوشاندن آن راحت‌تر است و به راحتی با الگوی مورب آن، که شبیه به شورون است، قابل تشخیص است.
مدول (معیار خاصیت ارتجاعی) الیاف نیز برای یک lay-up داده شده اساسی است. مدول مشخص می کند که یک فیبر چقدر سفت است. یک فیبر مدول استاندارد با درجه بندی 265 گیگا پاسکال (GPa) نسبت به یک فیبر مدول متوسط با 320 گیگا پاسکال سفت تر است.برای ساخت اجزای با سختی یکسان به کربن مدول کمتری نیاز است که منجر به محصول سبک‌تر می‌شود. بنابراین الیاف مدول بالاتر ممکن است انتخاب ارجح به نظر برسند، اما یک نکته وجود دارد. می توان با یک نوار لاستیکی در مقابل یک تکه اسپاگتی قیاس کرد. نوار لاستیکی بسیار الاستیک است (مدول پایینی دارد) و می تواند با نیروی بسیار کمی خم شود اما نمی شکند، به علاوه پس از خم شدن به شکل اولیه خود باز می گردد. از طرف دیگر، اسپاگتی بسیار سفت است (مدول بالا) بنابراین در برابر تغییر شکل تا یک نقطه مقاومت می کند و سپس به سادگی می شکند. بخش‌های بازاریابی اغلب به گنجاندن یک مدول فیبر خاص در جدیدترین طراحی قاب افتخار می‌کنند، اما در بیشتر موارد قاب دوچرخه تعادل دقیقی از چندین نوع مدول در لای‌آپ است تا ترکیبی مطلوب از سفتی، دوام و انعطاف‌پذیری ارائه دهد..
یک متغیر دیگر برای در نظر گرفتن وجود دارد. یک رشته فیبر کربن بسیار نازک است - به مراتب نازکتر از موی انسان است، بنابراین آنها در کنار هم قرار می گیرند تا چیزی را به نام "بکسل" تشکیل دهند.برای دوچرخه‌ها، یک یدک‌کش می‌تواند شامل چیزی بین 1000 تا 12000 رشته باشد، اگرچه 3000 (که به صورت 3K نوشته می‌شود) رایج‌ترین است.
فیبر این، فیبر آن
اینها اصول اولیه هستند، اما ایجاد یک lay-up پیچیده می شود. دکتر پیتر گیدینگ، مهندس محقق در مرکز ملی کامپوزیت در بریستول، می گوید: از نقطه نظر استحکام و سختی خالص، کامپوزیت ایده آل دارای بالاترین نسبت فیبر به رزین ممکن و کمترین خمیدگی در الیاف است. سالها با دوچرخه کار کرد و با آنها مسابقه داد. الیاف یک طرفه، حداقل از نظر تئوری، بهترین انتخاب برای این هستند. مواد UD نسبت سفتی به وزن در جهت فیبر افزایش یافته است. متأسفانه کامپوزیت‌های UD نسبت به پارچه‌های بافته شده بیشتر در معرض آسیب قرار می‌گیرند و پس از آسیب، احتمال خرابی بیشتری دارند.»
ساخت یک قاب منحصراً از لایه‌های کربن UD، دوچرخه‌ای ایجاد می‌کند که به‌طور خطرناکی شکننده است، البته به دلیل هزینه‌های متریال و ساعت کار، بسیار گران است.از این رو کربن بافته شده غالب است و برای مناطقی که منحنی های محکم و اشکال مفصلی پیچیده وجود دارد، انتخاب واضحی است. علاوه بر این، مردم ظاهر آن را دوست دارند. Giddings می گوید: از نظر زیبایی شناختی، مواد بافته شده بهتر از مواد یک طرفه به نظر می رسند و تصور عموم از کامپوزیت یک پارچه بافته است. «در واقع، بسیاری از تولیدکنندگان مناطقی را که ساختار قاب از ظاهری صاف و بافته شده جلوگیری می‌کند، رنگ می‌کنند.»
سهولت ساخت را نیز باید در برنامه زمانبندی برای در نظر گرفتن هزینه های نیروی کار در نظر گرفت. برای مفاصل و اشکال پیچیده، ایجاد یک چیدمان ایده‌آل با الیاف UD بسیار بیشتر طول می‌کشد. این دلیل دیگری است که چرا پارچه های بافته شده انتخاب ارجح اکثر تولیدکنندگان دوچرخه کربنی هستند. Giddings می‌گوید: «کار کردن با پارچه‌های بافته‌شده آسان‌تر از UD است و به مهارت کمتری نیاز دارد تا آن را به شکل مورد نیاز قرار دهد». UD تمایل به تقسیم یا پیچ خوردن در اطراف اشکال پیچیده دارد. پارچه‌های بافته شده راحت‌تر مطابقت دارند و استحکام کلی سازه کمتر تحت تأثیر نقص‌های جزئی ساخت قرار می‌گیرد.'
تولیدکنندگان احتمالاً در پیچیده‌ترین قسمت‌ها، مانند براکت پایین و اتصالات لوله سر، یک لایه‌آپ با کربن بافته شده را انتخاب می‌کنند، اما هنوز آنطور که به نظر می‌رسد ساده نیست، زیرا فاکتور دیگری را باید در نظر گرفت. پل رمی، مهندس دوچرخه در اسکات اسپورت می گوید: "شما می خواهید تداوم جهت گیری فیبر را نه فقط در اطراف اتصالات، بلکه از طریق و فراتر از آنها حفظ کنید." «می‌تواند انحناهای پیچیده‌ای در محل اتصال مانند براکت پایین وجود داشته باشد، بنابراین باید راهی برای ادامه جهت الیاف، برای انتقال بار در سراسر آنها بیاندیشید.»
اینجاست که مهندسان قاب مانند رمی از کمک علم کامپیوتر سپاسگزار هستند. در گذشته تنها راه برای دانستن اینکه چگونه تغییرات مختلف زمانبندی lay-up ممکن است بر نتیجه نهایی تأثیر بگذارد، ساختن و آزمایش چندین نمونه اولیه بود، اما اکنون می توان یک برنامه زمانبندی lay-up را با درجه بسیار بالایی از دقت توسط رایانه ها قبل از آزمایش آزمایش کرد. تک رشته فیبر در قالب قاب فرو رفته است.
"پیش از این واقعا دشوار بود که بدانیم تغییر تنها یک قسمت از lay-up چه تأثیری بر عملکرد فریم خواهد داشت."
Bob Parlee، بنیانگذار Parlee Cycles مستقر در ماساچوست، آن روزهای گذشته را به یاد می آورد که قبل از اینکه رایانه ها همه چیز را به طرز محبت آمیزی انجام دهند، به یاد می آورد: "اگر بارهای وارد بر یک سازه خرپایی مانند یک قاب را درک کنید، چیدمان ها ساده هستند. بنابراین در ابتدا می‌توانستم آنها را در ذهنم حل کنم.» پارلی از آن زمان پذیرفته است که تحلیل اجزای محدود کامپیوتری (FEA) جایگاه خود را دارد. او می‌گوید: «در اصل من سوراخ‌هایی در لوله‌های قاب [برای نقاط ورودی کابل یا پایه‌های قفس بطری] ایجاد نمی‌کردم، زیرا آنها نقاط ضعف احتمالی بودند، اما اکنون FEA به ما می‌گوید برای تقویت آن سوراخ چه کاری انجام دهیم.
افزایش قدرت محاسباتی همراه با نرم‌افزار پیچیده‌تر به مهندسان این امکان را می‌دهد که بسیاری از مدل‌های مجازی را در زمان کوتاهی تجزیه و تحلیل کنند و مرزهای طراحی و مواد را جابجا کنند.به گفته مهندس طراحی تخصصی کریس مرتنز، «تکرار نام بازی است. ابزار FEA یک مدل نماینده از قاب ایجاد می کند و هدف این است که هر فیبر را به حساب آورد. این نرم افزار به من اجازه می دهد تا هر لایه را بر اساس یک مدل بهینه سازی برای 17 مورد بارگذاری که برای یک قاب مدل داریم، طراحی کنم.'
منظور این است که نرم افزار به Meertens دستور می دهد که چه مقدار کربن در هر ناحیه از قاب وجود داشته باشد، و جهت گیری بهینه برای الیاف. با این حال، مهارت در دانستن این است که با چیدمان کربن چه چیزی ممکن است و چه چیزی ممکن نیست. گاهی اوقات کامپیوتر ایده آل هایی را به بیرون می اندازد که با ایده آل فاصله زیادی دارند. مرتنز می‌گوید: «بیشتر اوقات به آن نگاه می‌کنم و می‌گویم: «هیچ راهی وجود ندارد که بتوانیم این کار را انجام دهیم». «بنابراین من مشغول نرم‌افزار پرده‌بندی لمینت می‌شوم تا لایه‌های مجازی را برش دهم و آنها را روی یک سنبه مجازی ببندم، و آن را بر اساس امکان‌سنجی ساخت و بهینه‌سازی‌های لمینت انجام دهم.»
حتی با استفاده از نرم‌افزار رایانه‌ای، رمزگشایی آن ممکن است روزها طول بکشد، و هنوز راه درازی تا تعریف نهایی lay-up باقی مانده است.یکی از جنبه هایی که عنصر انسانی ضروری است، اطمینان از استفاده از درجه فیبر مناسب در مکان مناسب است. مرتنز می‌گوید: فیبر 0 درجه بسیار سفت است، اما مقاومت ضربه‌ای خوبی ندارد، بنابراین، برای اینکه کامپوزیت را متحمل آسیب نگه داریم، باید از قرار دادن بیش از حد در مکان‌هایی مانند پایین لوله پایین اجتناب کنیم. من تا این مرحله می‌دانم به چه لایه‌هایی نیاز دارم، اما اکنون می‌خواهم بدانم از هر لایه چند لایه. بنابراین من یک برنامه بهینه‌سازی دیگر را اجرا می‌کنم که به من می‌گوید چقدر ضخامت آنها را باید بسازم - اساساً تعداد لایه‌ها. بین 30 تا 50 ترکیب از لایه ها را تجزیه و تحلیل می کند. ما چهار یا پنج بار چرخه دراپ و بهینه‌سازی مجازی را طی می‌کنیم و هر بار لایه‌ها را کمی بیشتر تنظیم می‌کنیم. اما در برخی مواقع باید «برو» را بزنیم و آن را ارسال کنیم.»
راهنمای قطعی
برنامه چیدمان مانند یک نقشه سه بعدی است که جزئیات هر تکه کربن شکل را در هر لایه نشان می دهد. مرتنس می‌گوید: «قاب به 9 ناحیه تقسیم می‌شود: دو پایه صندلی، دو پایه زنجیر، براکت پایین، صندلی، بالا، سر و لوله‌های پایین».ما برای هر ناحیه، داده را که یک محور است مشخص می کنیم. سپس جهت هر قطعه کربن در یک منطقه به آن داده مربوط می شود. یک لوله پایین ممکن است دارای لایه هایی در 45 درجه، 30 درجه و 0 درجه نسبت به مبدأ محلی باشد. به طور کلی، مواد استحکام بالاتر خارج از محور، در زاویه استفاده می شود. ماده مدول بالاتری که به صورت محوری استفاده می کنیم، در 0 درجه.'
فایل به دست آمده می تواند تا 100 مگابایت حجم داشته باشد و در نهایت به طبقه کارخانه منتقل می شود. هر کارگر در کارخانه فقط بخش مربوط به قسمتی از قاب را دریافت می کند که مسئولیت ایجاد آن را بر عهده دارد. این هنوز آخرین مرحله تولید نیست. قاب ساخته شده در این مرحله یک نمونه اولیه است و باید آزمایش شود تا اطمینان حاصل شود که چیدمان طراحی شده دیجیتالی در قابی که در عمل کار می کند نتیجه می دهد. سونوگرافی، بازرسی اشعه ایکس و تشریح فیزیکی ضخامت لمینت را نشان می دهد. در جاهای دیگر ماتریس رزین سوزانده می شود تا کیفیت لمینیت و اینکه آیا مواد یا الیاف مهاجرت کرده اند یا خیر. تست های خمشی باید همان نتایج را با آنالیز FEA نشان دهند.با این حال، در پایان، این یک انسان است که آن را در جاده می برد.
باب پارلی می گوید: «دوچرخه سواری تنها راهی است که می توانیم واقعاً آن را کمی کنیم. ما می‌توانیم تست‌های خمش و بارگذاری را انجام دهیم، اما باید از آن خارج شده و سوار آن شویم تا ببینیم آیا آنطور که می‌خواهیم عمل می‌کند یا خیر.» وقتی مدل از جمع‌بندی عبور کرد، سرانجام به تولید چراغ سبز نشان داده می‌شود.
بیشتر تولید دوچرخه در خاور دور اتفاق می افتد، و این اهمیت بیشتری را در برنامه لایی آپ قائل است. این طرح با جزئیات دقیق، اگر به صورت دقیق دنبال شود، باید اطمینان حاصل کند که محصولاتی که از آن کارخانه‌های بزرگ بیرون می‌آیند، دوقلوهای مشابه محصولات آزمایش شده و تایید شده در مرحله نمونه اولیه هستند. البته اکثر برندها به طور مستمر فریم های تولید را آزمایش و دوباره آزمایش می کنند تا از سازگاری اطمینان حاصل کنند تا دوچرخه هایی که به مغازه ها می رسند انتظارات مشتری را برآورده کنند. در بیشتر موارد، سازندگان همچنین می‌توانند کل سفر یک فریم را ردیابی کنند، دقیقاً به منشأ اولین رشته‌های فیبر. دفعه بعد که ایستاده اید و غرور و شادی خود را تحسین می کنید، چیزی است که باید به آن فکر کنید.
