Οι κατασκευαστές λατρεύουν να καυχιούνται για το lay up από ανθρακονήματα, έτσι η Cyclist αποφάσισε να διερευνήσει τι σημαίνει αυτό και πώς επηρεάζει την απόδοση
Ένα ποδήλατο, είναι αυτονόητο, είναι το καλύτερο χριστουγεννιάτικο δώρο ποτέ, αλλά με την πιθανή εξαίρεση ενός κουταβιού είναι επίσης το πιο δύσκολο να το τυλίξετε. Λυπηθείτε λοιπόν τον φτωχό σχεδιαστή πλαισίων που πρέπει να τυλίξει και να στρώσει άνθρακα γύρω από τις περίπλοκες καμπύλες του έτσι ώστε, όταν ψηθεί και τελειώσει, το πλαίσιο να προσφέρει την επιθυμητή αίσθηση οδήγησης. Η κατασκευή ενός πλαισίου από ανθρακονήματα είναι ένα πολύπλοκο τρισδιάστατο παζλ που επισκιάζει τον κύβο του Ρούμπικ.
Η ομορφιά του άνθρακα είναι ότι, σε αντίθεση με το μέταλλο, πολλά κομμάτια μπορούν να τοποθετηθούν σε στρώσεις σε διαφορετικούς βαθμούς τομής και επικάλυψης για να δώσουν πολύ αυστηρό έλεγχο των χαρακτηριστικών απόδοσης και της αντοχής που απαιτούνται σε οποιοδήποτε δεδομένο σημείο ενός πλαισίου ποδηλάτου. Το μειονέκτημα είναι ότι ο άνθρακας είναι ανισότροπος - είναι ισχυρότερος σε μια κατεύθυνση από μια άλλη με παρόμοιο τρόπο με το ξύλο - πράγμα που σημαίνει ότι η αντοχή εξαρτάται από την κατεύθυνση των ινών. Για να φέρει ο άνθρακας σημαντικά φορτία, οι δυνάμεις πρέπει να κατευθύνονται κατά μήκος των ινών του, γεγονός που καθιστά την κατεύθυνση της ίνας απολύτως κρίσιμη. Τα συστατικά μέρη ενός σκελετού ποδηλάτου δέχονται δυνάμεις σε διάφορες κατευθύνσεις, πράγμα που σημαίνει ότι οι ίνες άνθρακα πρέπει επίσης να κινούνται προς διάφορες κατευθύνσεις. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο διαφορετικά στρώματα έχουν τις ίνες τους σε διαφορετικές γωνίες, συνήθως 0° (στην ευθεία), +45°, -45°, +90° και -90°, και μάλιστα σε οποιαδήποτε γωνία που επιλέγουν οι σχεδιαστές εάν θα δημιουργήσει τα επιθυμητά χαρακτηριστικά.
Στα βάθη
Έτσι είναι για όλα τα κουφώματα άνθρακα. Κάτω από τα λαμπερά εξωτερικά μέρη υπάρχουν πολλά στρώματα κομματιών από ανθρακονήματα των οποίων οι ακαμψίες, οι αντοχές, τα σχήματα, τα μεγέθη, οι θέσεις και οι προσανατολισμοί έχουν σχεδιαστεί με κόπο, συνήθως με συνδυασμό πακέτων λογισμικού υπολογιστών και τεχνογνωσίας μηχανικών. Αυτό είναι γνωστό ως το πρόγραμμα lay-up, ή απλώς το lay-up. Όταν ολοκληρωθεί η σέγα άνθρακα, το ποδήλατο πρέπει να είναι ελαφρύ, να ανταποκρίνεται, να είναι οικονομικά αποδοτικό και να μπορεί να αντέξει τις πιο ακραίες δυνάμεις της ποδηλασίας.
Ο καθηγητής Dan Adams, διευθυντής του εργαστηρίου μηχανικής σύνθετων υλικών στο Πανεπιστήμιο της Γιούτα στο S alt Lake City, ο ίδιος δεινός ποδηλάτης και που ασχολήθηκε με την ανάπτυξη των πρώτων πλαισίων άνθρακα της Trek, λέει ότι η κατασκευή οτιδήποτε από άνθρακα είναι το μόνο σχετικά με το σωστό πρόγραμμα lay-up. «Προσδιορίζει τον προσανατολισμό των μεμονωμένων στρώσεων ή στρωμάτων προεμποτισμένης άνθρακα/εποξειδούς, που στοιβάζονται για να διαμορφωθεί το τελικό πάχος του τμήματος», λέει. «Μερικά εξαρτήματα πλαισίου είναι πιο εύκολο να τοποθετηθούν από άλλα. Οι σωλήνες είναι σχετικά απλοί, αλλά οι διασταυρώσεις μεταξύ τους είναι μερικές από τις πιο περίπλοκες στρώσεις που θα δείτε σε ανταλλακτικά παραγωγής σε κάθε βιομηχανία που χρησιμοποιεί άνθρακα δομικά, συμπεριλαμβανομένης της αεροδιαστημικής και της αυτοκινητοβιομηχανίας.'.
Η ανισότροπη φύση του άνθρακα καθιστά επίσης καθοριστική την επιλογή του σωστού άνθρακα. Στην πιο απλή του μορφή, υπάρχουν δύο τρόποι παροχής άνθρακα. Το Unidirectional (UD) έχει όλες τις ίνες άνθρακα που τρέχουν προς μία κατεύθυνση, παράλληλα μεταξύ τους. Η εναλλακτική λύση στο UD είναι ένα υφαντό ύφασμα ή «ύφασμα». Έχει ίνες που τρέχουν σε δύο κατευθύνσεις, περνώντας η μία κάτω και πάνω από την άλλη σε ορθή γωνία για να δώσουν την κλασική εμφάνιση των ανθρακονημάτων. Στο απλούστερο ύφασμα, γνωστό ως απλή ύφανση, οι ίνες δένουν κάτω και πάνω σε κάθε διασταύρωση (ονομάζεται «1/1») για να δημιουργήσουν ένα σχέδιο σαν πλέγμα. Υπάρχουν πολλά άλλα πιθανά σχέδια ύφανσης. Το Twill (2/2) είναι λίγο πιο χαλαρό, τόσο πιο εύκολο στο ντύσιμο και εύκολα αναγνωρίσιμο από το διαγώνιο μοτίβο του, που μοιάζει με chevron.
Ο συντελεστής (ένα μέτρο ελαστικότητας) της ίνας είναι επίσης θεμελιώδης για ένα δεδομένο lay-up. Το Modulus καθορίζει πόσο άκαμπτη είναι μια ίνα. Μια τυπική ίνα συντελεστή, με ονομαστική τιμή 265 gigapascal (GPa) είναι λιγότερο άκαμπτη από μια ίνα ενδιάμεσου συντελεστή με ονομαστική τιμή 320 GPa. Απαιτείται λιγότερος άνθρακας υψηλότερου συντελεστή για την κατασκευή εξαρτημάτων της ίδιας ακαμψίας, γεγονός που οδηγεί σε ένα ελαφρύτερο προϊόν. Ως εκ τούτου, οι ίνες υψηλότερου συντελεστή μπορεί να φαίνονται ως η προτιμώμενη επιλογή, αλλά υπάρχει μια σύλληψη. Μια αναλογία μπορεί να γίνει με ένα λαστιχάκι έναντι ενός κομματιού μακαρόνια. Το λάστιχο είναι πολύ ελαστικό (έχει χαμηλό συντελεστή) και μπορεί να κάμπτεται με πολύ λίγη δύναμη που εφαρμόζεται, αλλά δεν θα σπάσει, καθώς και θα επιστρέψει στο αρχικό του σχήμα μετά την κάμψη. Τα μακαρόνια, από την άλλη πλευρά, είναι πολύ άκαμπτα (υψηλού συντελεστή), έτσι θα αντισταθούν στην παραμόρφωση μέχρι ένα σημείο και μετά απλά θα σπάσουν. Τα τμήματα μάρκετινγκ συχνά υπερηφανεύονται για τη συμπερίληψη ενός συγκεκριμένου συντελεστή ίνας στον πιο πρόσφατο σχεδιασμό πλαισίου, αλλά στις περισσότερες περιπτώσεις ένα πλαίσιο ποδηλάτου είναι μια προσεκτική ισορροπία πολλών τύπων συντελεστή στο lay-up για να προσφέρει έναν επιθυμητό συνδυασμό ακαμψίας, ανθεκτικότητας και ελαστικότητας.
Υπάρχει μια ακόμη μεταβλητή που πρέπει να λάβετε υπόψη. Ένα μόνο σκέλος ανθρακονήματος είναι εξαιρετικά λεπτό – πολύ πιο λεπτό από μια ανθρώπινη τρίχα, επομένως ενώνονται μεταξύ τους για να σχηματίσουν αυτό που ονομάζεται «έλκυση». Για τα ποδήλατα, ένα ρυμουλκούμενο μπορεί να περιέχει οτιδήποτε από 1.000 έως 12.000 σκέλη, αν και 3.000 (γραμμένα ως 3K) είναι πιο συνηθισμένο.
Ίνα αυτό, ίνα που
Αυτά είναι τα βασικά, αλλά η δημιουργία ενός λέι-απ γίνεται πολύπλοκη. «Από άποψη καθαρής αντοχής και ακαμψίας, το ιδανικό σύνθετο θα είχε την υψηλότερη δυνατή αναλογία ίνας στη ρητίνη και τη μικρότερη κάμψη στην ίνα», λέει ο Δρ Peter Giddings, ερευνητής μηχανικός στο National Composites Centre, Bristol, ο οποίος έχει δούλευε με ποδήλατα και τα αγωνιζόταν για πολλά χρόνια. «Οι μονοκατευθυντικές ίνες, θεωρητικά τουλάχιστον, είναι η καλύτερη επιλογή για αυτό. Τα υλικά UD έχουν αυξημένη αναλογία ακαμψίας προς βάρος στην κατεύθυνση της ίνας. Δυστυχώς, τα σύνθετα υλικά UD είναι πιο επιρρεπή σε ζημιές και, αφού καταστραφούν, είναι πιο πιθανό να αποτύχουν από τα υφαντά.».
Η κατασκευή ενός πλαισίου αποκλειστικά από στρώματα άνθρακα UD θα δημιουργούσε ένα ποδήλατο που ήταν επικίνδυνα εύθραυστο, για να μην αναφέρουμε απαγορευτικά ακριβό λόγω του κόστους υλικού και εργατοώρων. Ως εκ τούτου, ο υφαντός άνθρακας κυριαρχεί και είναι η προφανής επιλογή για κάθε περιοχή όπου υπάρχουν σφιχτές καμπύλες και πολύπλοκα σχήματα αρμών. Επιπλέον, στους ανθρώπους αρέσει η εμφάνισή του. «Αισθητικά, τα υφαντά υλικά θεωρούνται ότι φαίνονται καλύτερα από τα υλικά μονής κατεύθυνσης και η αντίληψη του κοινού για ένα σύνθετο υλικό είναι ένα υφαντό ύφασμα», λέει ο Giddings. «Στην πραγματικότητα, πολλοί κατασκευαστές βάφουν [επομένως αποκρύπτοντας] περιοχές όπου η κατασκευή του πλαισίου εμποδίζει την ομαλή, υφασμένη εμφάνιση.»
Η ευκολία κατασκευής πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη σε ένα χρονοδιάγραμμα για να ληφθεί υπόψη το κόστος εργασίας. Για πολύπλοκους αρμούς και σχήματα θα χρειαστεί πολύ περισσότερος χρόνος για να δημιουργηθεί το ιδανικό lay-up με ίνες UD. Είναι ένας άλλος λόγος για τον οποίο τα υφαντά υφάσματα είναι η προτιμώμενη επιλογή των περισσότερων κατασκευαστών ποδηλάτων άνθρακα. «Το υφαντό ύφασμα είναι ευκολότερο να το δουλέψεις από το UD και απαιτεί λιγότερη ικανότητα για να το προσαρμόσεις στο απαιτούμενο σχήμα», λέει ο Giddings. «Το UD έχει την τάση να χωρίζεται ή να συστρέφεται γύρω από πολύπλοκα σχήματα. Τα χαλαρά υφαντά υφάσματα προσαρμόζονται πιο εύκολα και η συνολική αντοχή της δομής επηρεάζεται λιγότερο από μικρά κατασκευαστικά ελαττώματα.'
Οι κατασκευαστές είναι πιθανό να επιλέξουν ένα lay-up με υφαντό άνθρακα στις πιο περίπλοκες περιοχές, όπως το κάτω βραχίονα και οι διασταυρώσεις σωλήνων κεφαλής, αλλά εξακολουθεί να μην είναι τόσο απλό όσο ακούγεται επειδή υπάρχει ένας άλλος παράγοντας που πρέπει να λάβετε υπόψη. «Θέλετε να διατηρήσετε τη συνέχεια του προσανατολισμού των ινών όχι μόνο γύρω από διασταυρώσεις, αλλά μέσα και πέρα από αυτές», λέει ο Paul Remy, μηχανικός ποδηλάτων στο Scott Sports. «Μπορεί να υπάρχουν πολύπλοκες καμπυλότητες σε μια διασταύρωση όπως το κάτω στήριγμα, επομένως πρέπει να σκεφτείτε έναν τρόπο να συνεχίσετε τον προσανατολισμό των ινών, να μεταφέρετε το φορτίο σε αυτές.»
Είναι εδώ που οι μηχανικοί πλαισίου όπως ο Remy είναι ευγνώμονες για τη βοήθεια της επιστήμης των υπολογιστών. Στο παρελθόν, ο μόνος τρόπος για να γνωρίζουμε πώς οι διάφορες αλλαγές στο πρόγραμμα lay-up θα μπορούσαν να επηρεάσουν το τελικό αποτέλεσμα ήταν η κατασκευή και η δοκιμή πολλαπλών πρωτοτύπων, αλλά τώρα ένα πρόγραμμα lay-up μπορεί να δοκιμαστεί με πολύ υψηλό βαθμό ακρίβειας από υπολογιστές πριν από μονή κλώνος ίνας έχει ακουμπήσει κάτω σε ένα καλούπι πλαισίου.
«Προηγουμένως ήταν πολύ δύσκολο να γνωρίζουμε τι επίδραση θα είχε η αλλαγή μόνο ενός μέρους του lay-up στην απόδοση του καρέ», λέει ο Remy.
Ο Bob Parlee, ιδρυτής της Parlee Cycles που εδρεύει στη Μασαχουσέτη, θυμάται εκείνες τις παλιές μέρες πριν οι υπολογιστές έκαναν όλο το νούμερο με μεγάλη αγάπη: «Αν καταλαβαίνετε τα φορτία σε μια δομή ζευκτών, όπως ένα πλαίσιο, τα lay-ups είναι απλά, οπότε αρχικά θα μπορούσα να τα επεξεργαστώ μόνος μου στο μυαλό μου.» Ο Parlee έκτοτε παραδέχτηκε ότι η ανάλυση πεπερασμένων στοιχείων (FEA) έχει τη θέση της. «Αρχικά δεν θα έβαζα τρύπες σε σωλήνες πλαισίου [για σημεία εισόδου καλωδίων ή βάσεις κλουβιών φιαλών] επειδή ήταν πιθανά αδύναμα σημεία, αλλά τώρα η FEA μας λέει τι να κάνουμε για να ενισχύσουμε αυτήν την τρύπα», λέει.
Η αύξηση της υπολογιστικής ισχύος σε συνδυασμό με το όλο και πιο εξελιγμένο λογισμικό επιτρέπει στους μηχανικούς να αναλύουν πολλά εικονικά μοντέλα σε σύντομο χρονικό διάστημα και να ξεπερνούν τα όρια του σχεδιασμού και των υλικών. Σύμφωνα με τον εξειδικευμένο μηχανικό σχεδιασμού Chris Meertens, «Iteration είναι το όνομα του παιχνιδιού. Τα εργαλεία FEA δημιουργούν ένα αντιπροσωπευτικό μοντέλο του πλαισίου και ο στόχος είναι να λαμβάνεται υπόψη κάθε ίνα. Το λογισμικό μου επιτρέπει να σχεδιάσω κάθε φύλλο, με βάση ένα μοντέλο βελτιστοποίησης για τις 17 θήκες φόρτωσης που έχουμε για ένα πλαίσιο μοντέλου.'
Αυτό σημαίνει ότι το λογισμικό καθοδηγεί τη Meertens πόσο άνθρακα πρέπει να είναι σε κάθε περιοχή του πλαισίου και τον βέλτιστο προσανατολισμό για τις ίνες. Η δεξιότητα, ωστόσο, είναι να γνωρίζουμε τι είναι και τι δεν είναι δυνατό με το carbon lay-up. Μερικές φορές ο υπολογιστής φτύνει ιδανικά που κάθε άλλο παρά ιδανικά απέχουν. «Τις περισσότερες φορές το κοιτάζω και λέω, «Δεν υπάρχει περίπτωση να το κάνουμε αυτό», λέει η Meertens. «Έτσι, ασχολούμαι με το λογισμικό laminate draping για να κόβω εικονικές πτυχές και να τις τεντώνω σε έναν εικονικό άξονα, βασίζοντάς το στη σκοπιμότητα της κατασκευής και τις βελτιστοποιήσεις laminate.»
Ακόμη και με χρήση λογισμικού υπολογιστή μπορεί να χρειαστούν μέρες για να αποκρυπτογραφηθεί, και υπάρχει ακόμη πολύς δρόμος για να οριστεί τελικά το lay-up. Μια πτυχή όπου το ανθρώπινο στοιχείο είναι απαραίτητο είναι να διασφαλίσουμε ότι η σωστή ποιότητα ινών χρησιμοποιείται στη σωστή θέση. Η Meertens λέει, «η ίνα 0° είναι πολύ άκαμπτη, αλλά δεν έχει καλή αντοχή στην κρούση, επομένως, για να διατηρήσουμε το σύνθετο υλικό ανεκτικό στη ζημιά, πρέπει να αποφύγουμε να τοποθετούμε πολύ σε μέρη όπως το κάτω μέρος ενός κάτω σωλήνα. Σε αυτό το στάδιο θα ξέρω τι σχήματα πτυχών χρειάζομαι, αλλά τώρα θέλω να μάθω πόσα από κάθε φύλλο. Οπότε τρέχω ένα άλλο πρόγραμμα βελτιστοποίησης που μου λέει πόσο παχύ πρέπει να τα φτιάξω – ουσιαστικά τον αριθμό των στρώσεων. Θα αναλύσει οπουδήποτε από 30 έως 50 συνδυασμούς πτυχώσεων. Θα διανύσουμε τον κύκλο του εικονικού ντυσίματος και της βελτιστοποίησης τέσσερις ή πέντε φορές, βελτιστοποιώντας τις πτυχές λίγο περισσότερο κάθε φορά. Αλλά κάποια στιγμή πρέπει να πατήσουμε «Go» και να το στείλουμε.»
Οριστικός οδηγός
Το πρόγραμμα lay-up είναι σαν ένας τρισδιάστατος χάρτης, που περιγράφει λεπτομερώς κάθε κομμάτι διαμορφωμένου άνθρακα σε κάθε στρώμα. «Το πλαίσιο χωρίζεται σε εννέα ζώνες: δύο καθίσματα, δύο αλυσίδες, κάτω βραχίονας, κάθισμα, πάνω, κεφαλή και κάτω σωλήνες», λέει ο Meertens.«Καθορίζουμε το δεδομένο, που είναι ένας άξονας, για κάθε ζώνη. Ο προσανατολισμός κάθε κομματιού άνθρακα σε μια ζώνη σχετίζεται τότε με αυτό το δεδομένο. Ένας κάτω σωλήνας μπορεί να έχει πτυχώσεις στις 45°, 30° και 0° σε σχέση με το τοπικό σημείο αναφοράς. Γενικά, το υλικό υψηλότερης αντοχής χρησιμοποιείται εκτός άξονα, υπό γωνία. Όσο υλικό υψηλότερου συντελεστή χρησιμοποιούμε αξονικά, στις 0°.'
Το αρχείο που προκύπτει μπορεί να έχει μέγεθος έως 100 Mb και τελικά μεταβιβάζεται στο εργοστάσιο. Κάθε εργαζόμενος στο εργοστάσιο λαμβάνει μόνο το τμήμα που σχετίζεται με το τμήμα του πλαισίου που είναι υπεύθυνος για τη δημιουργία. Αυτή δεν είναι ακόμα η τελική σειρά παραγωγής. Το ενσωματωμένο πλαίσιο είναι ένα πρωτότυπο σε αυτό το στάδιο και πρέπει να δοκιμαστεί για να διασφαλιστεί ότι η ψηφιακά σχεδιασμένη διάταξη έχει ως αποτέλεσμα ένα πλαίσιο που αποδίδει στην πράξη. Ο υπέρηχος, η επιθεώρηση με ακτίνες Χ και η φυσική ανατομή αποκαλύπτουν πάχη πολυστρωματικού υλικού. Αλλού η μήτρα της ρητίνης θα καεί για να αποκαλύψει την ποιότητα της ελασματοποίησης και εάν το υλικό ή οι ίνες έχουν μεταναστεύσει. Οι δοκιμές κάμψης πρέπει να δείχνουν τα ίδια αποτελέσματα με την ανάλυση FEA. Στο τέλος, όμως, είναι ένας άνθρωπος που το βγάζει στο δρόμο.
«Το ποδήλατο είναι ο μόνος τρόπος για να το ποσοτικοποιήσουμε πραγματικά», λέει ο Bob Parlee. «Μπορούμε να κάνουμε τις δοκιμές κάμψης και φόρτωσης, αλλά πρέπει να βγούμε έξω και να το οδηγήσουμε για να δούμε αν αποδίδει όπως θέλουμε.» Όταν το μοντέλο περάσει τη συγκέντρωση, τελικά δίνεται το πράσινο φως στην παραγωγή.
Η περισσότερη παραγωγή ποδηλάτων γίνεται στην Άπω Ανατολή, και αυτό δίνει ακόμη μεγαλύτερη σημασία στο πρόγραμμα lay-up. Το λεπτομερές σχέδιο, εάν ακολουθηθεί κατά γράμμα, θα πρέπει να διασφαλίσει ότι τα προϊόντα που βγαίνουν από αυτά τα μεγάλα εργοστάσια είναι πανομοιότυπα δίδυμα με αυτά που δοκιμάστηκαν και περνούν στο τελικό στάδιο του πρωτοτύπου. Φυσικά, οι περισσότερες μάρκες δοκιμάζουν συνεχώς και ξαναδοκιμάζουν τα πλαίσια παραγωγής για να εξασφαλίσουν συνέπεια, ώστε τα ποδήλατα που φτάνουν στα καταστήματα να ανταποκρίνονται στις προσδοκίες των πελατών. Στις περισσότερες περιπτώσεις, οι κατασκευαστές μπορούν επίσης να εντοπίσουν ολόκληρη τη διαδρομή ενός πλαισίου, ακριβώς πίσω από την αρχή των πρώτων κλώνων ινών. Αυτό είναι κάτι που πρέπει να σκεφτείτε την επόμενη φορά που θα σταθείτε και θα θαυμάσετε την περηφάνια και τη χαρά σας.
