מחרוזת ודבק: מבט מקרוב על שרף

2024 מְחַבֵּר: Bryan Jacobson | [email protected]. שונה לאחרונה: 2023-12-16 02:59

Resin הוא הגיבור הבלתי מושר שמחזיק את מסגרת הפחמן שלך יחד, וזה חיוני לא פחות לביצועים

שאלו את רוב הכבישים ממה עשויה שלדת האופניים שלהם והתשובה תהיה כנראה 'קרבון'. שאל כל מי שעוסק בייצור שלדות לאופניים (או בעצם מוצרים אחרים העשויים מחומר הפלא הארוג הזה) ותקבל תשובה מורכבת יותר.

'בתעשיית האופניים אנחנו בדרך כלל שומעים דיבורים על פחמן, אבל זה באמת פשטני מדי - הכללה', אומר תומס לשיק, ראש הנדסה ביצרנית הגלגלים הגרמנית Lightweight. זו למעשה מטריצה של סיבי פחמן ושרף אפוקסי. המונח המדויק יותר הוא CFRP – פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן.'

אז הסוסים הנחשקים שלנו הם מעט יותר מאופני פלסטיק מחוזקים. זהו קיצור פשוט, ועושה דרך ארוכה כדי להסביר את החשיבות של שרפים - שהם החלק הפלסטי (או הפולימר) של CFRP. בעיקרו של דבר, השרף נותן לחומר המרוכב את קשיחותו. כפי שמגדיר זאת פיל דמפסי מאפרייר, חברה המתמחה באופני סיבי פחמן, סיבי פחמן הם רק בד. לבד זה רק פיסת בד.'

כשזה מגיע לתיאורי מוצרים והמשחק השיווקי הנלווה אליו, המותג או הסוג של סיבי הפחמן (למשל Toray, T800, 65HM1K, מודול גבוה במיוחד) מושמע באופן שגרתי כמאפיין הבסיסי של מאפייני המוצר המוגמר. זה כאילו אין שום דבר אחר במשחק, אבל למעשה הסיבים מהווים קצת יותר ממחצית מחומר המסגרת. השאר הוא שרף האפוקסי, שברור שהוא חייב למלא תפקיד חשוב בביצועים של אופניים מודרניים.מדוע, אם כן, הערוץ השיווקי ממעט לציין זאת?

The ABC של CFRP

CFRP	פלסטיק מחוזק בסיבי פחמן (או פולימר). החומר המרוכב שהוזכר to כסיבי פחמן או פחמן.
Cure	תהליך של הפעלת חום ולעתים קרובות לחץ על מבנה CFRP כדי 'להגדיר' את שרף ומאפשרים קשיחות ליצירה המוגמרת.
סיבי	חוטים של פחמן שנארגים או סרוגים יחד ליצירת האלמנט המחזק של מבנה CFRP. נקראים לעתים קרובות 'פילמנטים'.
Mould	הרכיב הפיזי שבתוכו וסביבו מונחות יריעות סיבי פחמן כדי ליצור את המסגרת.
ספר שכבות	בעיקרו ספר של דפוסי תפירה מהוללים. אלה מפרטים כיצד כל פיסת סיבי פחמן בודדת נחתכת ומרכיבה, והם הסודות השמורים ביותר.
Pre-preg	יריעות של חוטי סיבי פחמן ספוגים בשרף לא מעובד.
Resin	פולימר נוזלי המשמש לחיבור סיבים בתוך מבנה CFRP.

ידע פנימי

כדי להבין את התפקיד שיש לשרף באופני סיבי פחמן מוגמרים, עלינו להבין את תהליך הייצור, וכיצד השרף משולב בתוכו.

בעיקרון ישנם שני סוגים של מבנה סיבי פחמן: רטוב ויבש. לייצור רטוב, חברה רוכשת בד סיבי פחמן שכבר ספוג בשרף, הידוע בשם pre-preg.הסדינים הדביקים הללו מונחים לתוך או סביב תבנית ולאחר מכן מתרפאים באמצעות חום ולחץ כדי להחדיר קשיחות. טכניקת ייצור עירוי השרף היבש יכולה ללבוש שתי צורות שונות. הראשון דומה לאופן שבו מתרחש ייצור טרום-פרג, עם צורות חתוכות של בד יבש מונחות על תבנית, כשהשרף מתווסף כחלק מתהליך הריפוי. הטכניקה השנייה, המשמשת חברות כמו Time ו-BMC (עם אופני Impec שלה), כוללת מתיחה של מבנה דמוי גרב צינורי רציף על פני תבנית באורך יחיד. מכאן, השרף מתווסף בלחץ לצורות שכבר נוצרו.

Giant הוא המותג היחיד שמייצר בעצמו את כל מוצרי הפחמן הטרום-פרג שלו מ'סליל עד הסוף' - כלומר, הוא קונה את סיבי הפחמן שלו כחוט על סלילים גדולים, מוסיף שרף משלו, ו ממשיך לייצר את המסגרות, הסורגים, הגבעולים והאביזרים שלה. ענק, אם כן, נראה כמו חברה טובה לשאול על חשיבות השרפים.

מנהל המוצר וההדרכה שלה בבריטניה, דיוויד וורד, אומר, "חוט סיבי הפחמן שלנו מועבר ישירות מ-Toray [יצרנית סיבי הפחמן הגדולה בעולם] לחדר הסליל. משם הוא מושחל אל הנולים ונארג ליריעות בד ענקיות מפחמן. לאחר האריגה מוסיפים את השרף. השרף יושב בתוך שוקת מעל מכלול הגלגלות ומועבר אל הבד הנעים, מוחל על החוטים באמצעות גלילים.״ התהליך הוא פשוט, והטכניקה שבה משתמש Giant כמעט זהה לזו שבה משתמשים כל היצרנים של סיבי פחמן מראש. אבל למרות שזה עשוי להיות פשוט במכניקה שלו, הדיוק, יכולת החזרה והשליטה חיוניים לשלמות המוצר המוגמר.

'השרף צריך לזרום בין ולצפות כל נימה אחת בצורה מושלמת', אומר וורד. "הפצה טובה של שרף היא חיונית כדי להוציא טרום-פרג טוב מקצה קו הייצור." דמפסי ב-Aprire מוסיף, "זה כל כך חשוב שהשרף יעבור דרך השכבות.אם אתה טועה בשרף, יש לך מסגרת סדוקה. זה ממש קריטי.'

בעובי העניין

'מכיוון ששרף מהווה 40% ממסגרת ענקית לאחר ריפוי, השרף הוא חלק חשוב מאוד', אומר וורד. "ברגע שהוא תרמוזה [מתרפא], זה השרף שנותן למבנה קשיחות." בנוסף לתכונות מבניות בסיסיות, שרף ממלא תפקיד חיוני נוסף. דמפסי אומר, 'אתה צריך להעביר לחצים מחלק אחד למשנהו. שרפים הם שמאפשרים העברת עומסים בין שכבות הסיבים.'

שרפים שונים ישפיעו על הביצועים של המוצר הסופי. דמפסי אומר, 'אם השרף צמיג מדי, הוא לא יזרום דרך הפחמן ובסופו של דבר סיבים נוגעים זה בזה. באופן אידיאלי אתה רוצה שהם יהיו מופרדים באופן דק.'

ואז יש את סוגיית הדחיסה, שמשפיעה על עובי מבני הפחמן. "תוספים שונים בשרף ישפיעו על הדחיסה", אומר דמפסי."ניתן לקבל עובי שכבה שונה בהתאם למאפייני השרף. בדרך כלל, שרפים זולים יותר יהיו עבים יותר. עם שרף טוב, סיבי הפחמן יכולים להיות מיקרונים זה מזה. זה נותן לך קירות דקים יותר עבור אותן איכויות חוזק, כלומר מסגרת קלה יותר. שרף זול יותר משאיר יותר חומר בין סיבים ושכבות.'

כשג'יאנט מייצרת באופן עצמאי לחלוטין, היא הצליחה לפתח שרפים משלה. וורד אומר, 'אנחנו בדור השלישי שלנו לפיתוח שרף עכשיו. הפרטים הקטנים יותר של תהליך היציקה והריפוי תלויים כולם בתכונות השרף - הטמפרטורה שבה הוא נכבה והזמן שהריפוי לוקח.' בשל טווח המחירים הרחב של מוצרי הפחמן שלה, Giant משתמשת בשני סוגים של שרף. "השרף הסטנדרטי שלנו משמש בכל קווי המוצרים מלבד מוצרי Advanced SL", אומר וורד. "עבור Advanced SL, אנו משתמשים בתוסף ננוטכנולוגיה. ננו-חלקיקים מגבירים את עמידות הפגיעה של המסגרות שלנו ב-18% ללא השפעה שלילית על קשיחות או משקל.אבל הם עולים הרבה יותר.'

תוצר לוואי נוסף של החלקיקים הוא דחיסה משופרת של הקירות במהלך הריפוי. "הננו-חלקיקים מאפשרים לשרף למלא את חללי המיקרו ב-lay-up. השרף למעשה זורם טוב יותר, מפחית את הפוטנציאל לחללים ומצמצם את עובי הדופן", מוסיף וורד.

תפקידו של שרף בהפחתת החללים הוא נקודת מפתח בשלמות המבנית של מסגרת, כפי שמסביר דמפסי. "חללים בשרף הם חורים שיאספו מתח", הוא אומר. "אלה נקודות כשל שעלולות להיות, וחללים נכשלים על ידי התפרקות כשהשכבות מתפרקות. אתה עדיין יכול לקבל דלמינציה ללא חללים, אבל אתה רוצה לשאוף למינימום כיסי אוויר במרוכב.'

בנוסף להעברת עומסים, עובי הדופן והחוסן, לשרף יכול להיות השפעה על הנסיעה באופניים. דמפסי אומר, מנקודת מבט פשוטה, אתה יכול לחשוב על שרפים כעל מוצר בסגנון ארלדיטי עם שתי חבילות עם שרף ומקשה. לכמות המקשה המשמשת עם שרף נתון יכולה להיות השפעה מהותית על איכות הנסיעה.עבור מסגרת אופניים טובה, אתה צריך קצת גמישות בתוך שרף מרפא כדי לאפשר העברת מתחים בין שכבות של סיבי פחמן. אתה יכול להשיג זאת על ידי שימוש בשרף חזק יותר עם פחות מקשה. מעצבים חכמים יכולים לקבל מבנה נוקשה יותר או תואם יותר עבור משקל נתון. אתה לא יכול לסמוך על שרף לקשיחות, אבל כמהנדס אתה צריך להיות מודע לתכונות הפוטנציאליות שהשרף יכול להוסיף למבנה מוגמר.'

שרפים חשובים בבירור לאיכות המסגרת המוגמרת, אז אנחנו חוזרים לשאלה למה אנחנו שומעים כל כך מעט עליהם.

'שרף הוא מתיר, לא נהג מאפיין,' אומר דמפסי. שרף מאפשר לנו לחבר את השכבות השונות של סיבי פחמן יחד - למשל T700 עד T800 - כדי להשתמש בתכונות השונות שהסיבים מציגים לנו. זה קשה למכור, וקשה מאוד לסובב אותו, אבל אין לזלזל בתפקיד שהם ממלאים.'

דיוויד וורד של Giant מנסח זאת בצורה תמציתית יותר: 'שרפים הם רק דבק. הם פשוט לא סקסיים.'

חום הרגע

בהתחשב בכך שרוב יצרני האופניים משתמשים בפחמן טרום-פרג, הבחירות שלהם מוגבלות מבחינת השימוש בשרף כדי להשפיע על הביצועים של מסגרת. אבל זה לא מונע מאנשים לחפש כיוונים חדשים, או לדחוף חברות שרף וקדם-פרג לייצר מוצרים שונים.

Dempsey אומר, 'אנחנו עובדים כדי לגרום לשותפים לייצר שרף שלא נכבה בטמפרטורת החדר. גורם מגביל אחד בעיצוב הוא שברגע שאתה לוקח prepreg מהאחסון הקר שלו, הוא מתחיל להתרפא באוויר. זה לעולם לא יתקשה לגמרי מחוץ לתנור הריפוי, אבל זה "יכבה". הכנה מוקדמת שאפשרה לנו להשתמש בתהליך הנחת מורכב יותר, ולפתח את ספר המונחים שלנו [ראה מילון מונחים, משמאל] לרמה הרצויה, תאפשר לנו להפיק הרבה יותר מהתוצאה הסופית שלנו. זה יהיה מבריק עבורנו.'

אזור אחד שבו שרפים ממלאים תפקיד עצום הוא בייצור גלגלי פחמן. כאן שרפים הם המפתח, לא רק לשלמות המבנית ולנוקשות הגלגל, אלא גם לביצועי בלימה.

Leschik של Lightweight אומר, 'הנקודה החלשה ביותר של שרף היא התנהגות הטמפרטורה שלו. לרוב השרפים יש בעיות מעל 150 מעלות צלזיוס. במהלך 10 השנים האחרונות הגדלנו את עמידות הטמפרטורה של השרפים שלנו פי שלושה.'

כמעט כל רוכב אופניים ישמע סיפור אימה על גלגל פחמן שנכשל בירידה ארוכה בגלל הצטברות חום, אבל מה בעצם קורה כשרפידת בלם פוגשת את החישוק? לשיק אומר, טריבולוגיה היא המדע וההנדסה של משטחים המקיימים אינטראקציה בתנועה יחסית. הוא כולל לימוד ויישום של עקרונות החיכוך, הסיכה והבלאי. בלימה על חישוק CFRP עם רפידות בלם גומי בתנאים רטובים או יבשים היא מערכת טריבולוגית כזו. האופטימיזציה של מערכת זו לביצועי בלמים טובים אינה אפשרית ללא שרפים עמידים לטמפרטורה גבוהה.'

כמו בביצועי המסגרת, אלו התוספים בשרף שמוסיפים לעמידות החום ולמחיר.תוסף אחד כזה הוא קרמיקה - סיליקה. בעוד שאפרייר אינו מייצר גלגלים, דמפסי מבין את התהליך: 'שרפים עושים הבדל עצום במבנה חישוקי פחמן. לדוגמה, הוספת סיליקה שואבת כמות ניכרת של חום מגוף המבנה ומאפשרת לזרימת האוויר לקרר את החישוק טוב יותר מאשר עם חישוק CFRP סטנדרטי. נחושת תהיה תוסף נהדר מכיוון שיש לה את היכולת למשוך כמויות עצומות של חום, אבל יש פוטנציאל לגופרית לדלוף לתוך השרף אם לחות נכנסת דרך סדקים מיקרו. זה יוביל לדילמינציה כמעט בטוחה. לשקעי חום - רשתות בתוך השרף - יש פוטנציאל גדול. הטכנולוגיה הזו עשויה בהחלט להגיע.'

לשיק של Lightweight יש גם אמונה עצומה בפיתוחי שרף: 'אנחנו בוחנים את האופטימיזציה של חישוקי בלימת החישוקים. עם שרפים חכמים אנו בטוחים שנוכל להעניק לרוכב את אותם ביצועי בלמים כמו דיסקים ללא גרם אחד נוסף של משקל.'

האמת הקשה

ברור ששרף הוא גיבור לא מוכר בתהליך בניית האופניים.זה יכול להשפיע על הנוקשות, החוסן, המשקל, הבטיחות והמחיר של מוצרי סיבי פחמן, אז האם אנחנו יכולים לצפות שהיצרנים יתחילו לשיר בשעווה על נפלאות החומר הדביק שלהם? כנראה שלא, כי זה עדיין רק חלק אחד של מערכת מורכבת. שרף באיכות מעולה לא יפצה על סיבי פחמן באיכות ירודה או על טכניקות בנייה חסרות השראה. כפי שמנסח זאת לשיק של Lightweight, 'זה אותו דבר בכל פעם: כדי לבשל עוגה נחמדה אתה צריך את המרכיבים הנכונים ביחס הנכון, עשוי היטב.'

ז'רגון פחמן: מה זה אומר?