יצרנים אוהבים להתפאר בהנחת סיבי פחמן, אז רוכב האופניים החליט לחקור מה זה אומר וכיצד זה משפיע על הביצועים
אופניים, זה מובן מאליו, הם מתנת חג המולד הטובה ביותר אי פעם, אבל למעט אולי גור זה גם הכי קשה לעטוף אותם. אז חבל על מעצב המסגרת המסכן שנאלץ לעטוף ולעטוף קרבון סביב הקימורים המורכבים שלו, כך שבעת האפייה והגמר, המסגרת מספקת את תחושת הנסיעה הרצויה. הבנייה של מסגרת סיבי פחמן היא פאזל תלת מימד מורכב שמאפה את הקובייה של רוביק.
היופי של פחמן הוא שבניגוד למתכת, ניתן לשכב חלקים מרובים בדרגות שונות של צומת וחפיפה כדי לתת שליטה הדוקה מאוד על תכונות הביצועים והחוזק הנדרשים בכל נקודה נתונה של שלדת אופניים.החיסרון הוא שפחמן הוא אנזוטרופי - הוא חזק יותר בכיוון אחד מאשר אחר בצורה דומה לעץ - מה שאומר שהחוזק תלוי בכיוון הסיבים. כדי שפחמן ישא עומסים משמעותיים, הכוחות חייבים להיות מכוונים לאורך הסיבים שלו, מה שהופך את כיוון הסיבים למכריע לחלוטין. החלקים המרכיבים של שלדת אופניים חווים כוחות בכמה כיוונים, כלומר גם סיבי הפחמן חייבים לרוץ בכמה כיוונים. זו הסיבה שלשכבות שונות יש את הסיבים שלהן בזוויות שונות, בדרך כלל 0° (בקו), +45°, -45°, +90° ו-90°, ואכן כל זווית שנבחרה על ידי המעצבים אם היא תיצור את התכונות הרצויות.
במעמקים
ככה זה עבור כל מסגרות הפחמן. מתחת לחלק החיצוני המבריק ישנן שכבות רבות של חלקי סיבי פחמן שהקשיחות, החוזקות, הצורות, הגדלים, המיקומים והכיוון שלהם תוכננו בקפידה, בדרך כלל על ידי שילוב של חבילות תוכנת מחשב ומומחיות מהנדסים.זה ידוע בתור לוח הזמנים של השכבה, או סתם השכבה. לאחר השלמת פאזל הפחמן, האופניים חייבים להיות קלים, מגיבים, חסכוניים ויכולים לסבול את הכוחות הקיצוניים ביותר של רכיבה על אופניים.
פרופסור דן אדמס, מנהל המעבדה למכניקת חומרים מרוכבים באוניברסיטת יוטה בסולט לייק סיטי, בעצמו רוכב אופניים נלהב ומי שהיה מעורב בפיתוח שלדות הפחמן הראשונות של טרק, אומר שבניית כל דבר מפחמן זה הכל לגבי לוח הזמנים הנכון. "זה מציין את הכיוון של שכבות בודדות או שכבות של פחמן/אפוקסי פרפרג, מוערמים כדי להפוך את החלק הסופי לעובי", הוא אומר. "חלקי מסגרת קלים יותר להניח מאחרים. הצינורות פשוטים יחסית, אבל הצמתים ביניהם הם כמה מהרכבי הרבדים המורכבים ביותר שתראו בחלקי ייצור בכל תעשייה שמשתמשת בפחמן מבחינה מבנית, כולל תעופה וחלל ורכב.'
הטבע האניזוטרופי של פחמן גם הופך את בחירת הפחמן הנכון למכריעה.במקרה הפשוט ביותר, ישנן שתי דרכים לאספקת פחמן. חד כיווני (UD) יש את כל סיבי הפחמן פועלים בכיוון אחד, מקבילים זה לזה. האלטרנטיבה ל-UD היא בד ארוג, או 'בד'. יש לו סיבים העוברים בשני כיוונים, עוברים זה מעל זה בזוויות ישרות כדי לתת את המראה הקלאסי של סיבי פחמן. בבד הפשוט ביותר, המכונה אריגה רגילה, הסיבים מתחברים מתחת ומעל בכל מעבר (הנקרא '1/1') כדי ליצור דפוס דמוי רשת. יש עוד הרבה דפוסי אריגה אפשריים. אריג (2/2) הוא מעט יותר רופף, כך שקל יותר לעטוף אותו וניתן לזהות אותו בקלות על ידי התבנית האלכסונית שלו, שנראית כמו שברונים.
המודוס (מדד לאלסטיות) של הסיב הוא גם הבסיסי ל-lay-up נתון. מודולוס מגדיר עד כמה סיב נוקשה. סיב מודולוס סטנדרטי, המדורג ב-265 ג'יגה-פסקל (GPa) הוא פחות נוקשה מסיב מודולוס בינוני המדורג ב-320GPa.נדרש פחות פחמן עם מודולוס גבוה יותר כדי ליצור רכיבים בעלי אותה קשיחות, מה שמביא למוצר קל יותר. סיבי מודולוס גבוה יותר עשויים להיראות לכן כמו הבחירה העדיפה, אבל יש מלכוד. אפשר לעשות אנלוגיה עם גומייה לעומת חתיכת ספגטי. הגומייה אלסטית מאוד (בעלת מודולוס נמוך) וניתנת להגמשה בכוח מועט מאוד אך לא תישבר, בנוסף היא תחזור לצורתה המקורית לאחר כיפוף. הספגטי, לעומת זאת, נוקשה מאוד (מודלוס גבוה) ולכן יתנגד לעיוותים עד נקודה מסוימת, ואז פשוט ישבר. מחלקות שיווק מתהדרות לרוב בהכללה של מודול סיבים מסוים בעיצוב המסגרת העדכני ביותר, אך ברוב המקרים שלדת אופניים היא איזון קפדני של מספר סוגי מודולוס בתוך הליי-אפ כדי לספק שילוב רצוי של קשיחות, עמידות וגמישות..
יש עוד משתנה אחד שצריך לקחת בחשבון. גדיל בודד של סיבי פחמן הוא דק במיוחד - הרבה יותר דק משערת אדם, ולכן הם כרוכים יחדיו כדי ליצור מה שנקרא "גרר".עבור אופניים, גרר יכול להכיל כל דבר בין 1,000 ל-12,000 גדילים, אם כי 3,000 (כתוב כ-3K) הוא הנפוץ ביותר.
סיבים זה, סיבים ש
אלו היסודות, אבל יצירת lay-up הופכת מסובכת. "מנקודת מבט טהורה של חוזק וקשיחות לחומר המרוכב האידיאלי יהיה היחס הגבוה ביותר של סיבים לשרף האפשרי והכיפוף המועט ביותר בסיבים", אומר ד"ר פיטר גידינגס, מהנדס מחקר במרכז הלאומי לחומרים מרוכבים, בריסטול, אשר עבד עם אופניים ורץ בהם במשך שנים רבות. "סיבים חד-כיווניים, תיאורטית לפחות, הם הבחירה הטובה ביותר עבור זה. לחומרי UD יש יחס קשיחות למשקל מוגבר בכיוון הסיבים. לרוע המזל, חומרים מרוכבים של UD רגישים יותר לנזק, ולאחר שניזוק, יש סיכוי גבוה יותר להיכשל מבדים ארוגים.'
לבנות מסגרת אך ורק משכבות פחמן UD תיצור אופניים שבריריים בצורה מסוכנת, שלא לדבר על יקרים באופן עצום בגלל עלויות החומר ושעות העבודה.מכאן שפחמן ארוג שולט והוא הבחירה הברורה עבור כל אזורים שבהם יש עיקולים הדוקים וצורות מפרקים מורכבות. מה שכן, אנשים אוהבים את המראה שלו. "מבחינה אסתטית, חומרים ארוגים נחשבים לנראים טוב יותר מחומרים חד-כיווניים והתפיסה של הציבור לגבי חומר מרוכב הוא בד ארוג", אומר גידינגס. 'למעשה, יצרנים רבים צובעים [ולכן מסתירים] אזורים שבהם בניית המסגרת מונעת מראה חלק וארוג.'
קלות הייצור צריכה להילקח בחשבון גם בלוח הזמנים כדי לקחת בחשבון את עלויות העבודה. עבור מפרקים וצורות מורכבות ייקח הרבה יותר זמן ליצור את הליי-אפ האידיאלי עם סיבי UD. זו סיבה נוספת לכך שבדים ארוגים הם הבחירה המועדפת על רוב יצרני אופני הפחמן. "קל יותר לעבוד איתו בד ארוג מאשר UD ודורש פחות מיומנות כדי להתאים אותו לצורה הנדרשת", אומר גידינגס. ל-UD יש נטייה להתפצל או להתעקם סביב צורות מורכבות. בדים ארוגים בצורה רופפת מתאימים יותר בקלות והחוזק הכללי של המבנה מושפע פחות מפגמי ייצור קלים.'
יצרנים עשויים לבחור ב-lay-up עם פחמן ארוג באזורים המורכבים ביותר, כגון התושבת התחתונה וחיבורי הצינור הראש, אבל זה עדיין לא פשוט כמו שזה נשמע כי יש עוד גורם שצריך לקחת בחשבון. "אתה רוצה לשמור על המשכיות של כיוון הסיבים לא רק סביב צמתים, אלא דרכם ומעבר להם", אומר פול רמי, מהנדס אופניים בסקוט ספורט. "יכולות להיות עקמומיות מורכבות בצומת כגון התושבת התחתונה, אז אתה צריך לחשוב על דרך להמשיך את כיוון הסיבים, להעביר את הטעינה לאורכם."
זה כאן שמהנדסי מסגרת כמו רמי מודים על הסיוע של מדעי המחשב. בעבר הדרך היחידה לדעת כיצד שינויים בלוח הזמנים השונים עשויים להשפיע על התוצאה הסופית הייתה בנייה ובדיקה של מספר אבות טיפוס, אך כעת ניתן לבדוק לוח זמנים של השכבה ברמה גבוהה מאוד של דיוק על ידי מחשבים לפני גדיל בודד של סיבים נגע בתבנית מסגרת.
'בעבר היה ממש קשה לדעת איזו השפעה תהיה לשינוי של חלק אחד בלבד של ה-lay-up על ביצועי הפריים', אומר רמי.
בוב פארלי, מייסד Parlee Cycles ממסצ'וסטס, זוכר את הימים ההם לפני שהמחשבים עשו את כל המספרים בחיבה רבה: 'אם אתה מבין את העומסים על מבנה מסבך כמו מסגרת, lay-ups הם פשוטים, אז בהתחלה יכולתי לחשב אותם בעצמי בראש שלי.״ פארלי הודה מאז לניתוח אלמנטים סופיים ממוחשב (FEA) יש את מקומו. "במקור לא הייתי שם חורים בצינורות מסגרת [עבור נקודות כניסת כבלים או תושבות לכלוב בקבוקים] כי הם היו נקודות תורפה פוטנציאליות, אבל עכשיו FEA אומר לנו מה לעשות כדי לחזק את החור הזה", הוא אומר.
הגברת כוח המחשוב יחד עם תוכנה מתוחכמת יותר ויותר מאפשרת למהנדסים לנתח מודלים וירטואליים רבים בזמן קצר ולדחוף את גבולות העיצוב והחומרים.לפי מהנדס התכנון המומחה כריס מירטנס, 'איטרציה היא שם המשחק. כלי FEA יוצרים מודל מייצג של המסגרת והמטרה היא להביא בחשבון כל סיב. התוכנה מאפשרת לי לעצב כל רובד, בהתבסס על מודל אופטימיזציה עבור 17 מקרי העומס שיש לנו עבור מסגרת דגם.'
מה שזה אומר הוא שהתוכנה מורה למירטנס כמה פחמן צריך להיות בכל אזור של המסגרת, ואת הכיוון האופטימלי עבור הסיבים. עם זאת, המיומנות היא לדעת מה אפשרי ומה לא אפשרי עם הנחת פחמן. לפעמים המחשב פולט אידיאלים שרחוקים מלהיות אידיאליים. "רוב הזמן אני מסתכל על זה ואומר, "אין סיכוי שאנחנו יכולים לעשות את זה", אומר מירטנס. "אז אני עסוק בתוכנת כיסוי למינציה כדי לחתוך שכבות וירטואליות ולכסות אותן על ציר וירטואלי, לבסס את זה על היתכנות ייצור ואופטימיזציות למינציה."
אפילו שימוש בתוכנת מחשב זה יכול לקחת ימים לפענוח, ויש עוד דרך ארוכה לפני שה-lay-up יוגדר סופית.היבט אחד שבו האלמנט האנושי חיוני הוא לוודא שדרגת הסיבים הנכונה משמשת במקום הנכון. Meertens אומר, 'סיבים 0° הם נוקשים מאוד אבל אין להם חוזק פגיעה טוב ולכן, כדי לשמור על סבילות הנזק המרוכב, עלינו להימנע מהכנסת יותר מדי במקומות כמו תחתית של צינור למטה. אני אדע עד השלב הזה אילו צורות רובדים אני צריך, אבל עכשיו אני רוצה לדעת כמה מכל רובד. אז אני מפעיל עוד תוכנית אופטימיזציה שאומרת לי כמה עבות אני צריך לעשות אותן - בעצם מספר השכבות. זה ינתח בין 30 ל-50 שילובים של שכבות. נרוץ את מחזור הכיסוי הווירטואלי והאופטימיזציה ארבע או חמש פעמים, ונכוונן את השכבות קצת יותר בכל פעם. אבל בשלב מסוים אנחנו צריכים ללחוץ על "Go" ולשלוח אותו.'
מדריך סופי
לוח הזמנים של השכבה הוא כמו מפה תלת-ממדית, המפרטת כל פיסת פחמן מעוצבת בכל שכבה. "המסגרת מחולקת לתשעה אזורים: שני תומכי מושבים, שני תומכי שרשרת, תושבת תחתונה, מושב, עליון, ראש וצינורות למטה", אומר מירטנס."אנו מציינים את הנתון, שהוא ציר, עבור כל אזור. הכיוון של כל פיסת פחמן באזור קשור אז לנתון הזה. לצינור למטה עשויים להיות שכבות ב-45°, 30° ו-0° ביחס לנתון המקומי. באופן כללי, החומר בעל החוזק הגבוה יותר משמש מחוץ לציר, בזווית. בחומר המודולוס הגבוה יותר אנו משתמשים בציר, ב-0°.'
הקובץ המתקבל יכול להיות בגודל של עד 100Mb והוא מועבר בסופו של דבר לרצפת המפעל. כל עובד במפעל מקבל רק את החלק הרלוונטי לחלק של המסגרת שהוא אחראי ליצור. זו עדיין לא ההפקה הסופית. המסגרת הבנויה היא אב טיפוס בשלב זה והיא צריכה להיבדק כדי להבטיח שהפרימה המעוצבת הדיגיטלית תביא למסגרת שמתפקדת בפועל. אולטרסאונד, בדיקת רנטגן ונתיחה פיזית חושפים עובי לרבד. במקום אחר מטריצת השרף תישרף כדי לחשוף את איכות הלמינציה והאם חומר או סיבים נדדו. בדיקות כיפוף צריכות להראות את אותן תוצאות כמו ניתוח FEA.אבל בסופו של דבר, זה בן אדם שמוציא את זה לכביש.
'רכיבה על האופניים היא הדרך היחידה שבה נוכל לכמת זאת באמת', אומר בוב פארלי. 'אנחנו יכולים לעשות את מבחני הכיפוף והעומס אבל אנחנו צריכים לצאת ולרכב עליו כדי לראות אם הוא מתפקד כמו שאנחנו רוצים.' כשהדגם עובר את הגיוס, סוף סוף ניתן לייצור אור ירוק.
רוב ייצור האופניים מתרחש במזרח הרחוק, וזה מייחס חשיבות רבה עוד יותר ללוח הזמנים של הנחת. התוכנית המפורטת, אם תפעל עד עצם היום הזה, אמורה להבטיח שהמוצרים שיוצאים מאותם מפעלים גדולים הם תאומים זהים לאלו שנבדקו ועברו בשלב אב הטיפוס הסופי. כמובן שרוב המותגים בודקים ובודקים מחדש מסגרות ייצור ללא הרף כדי להבטיח עקביות כך שהאופניים המגיעים לחנויות יעמדו בציפיות הלקוחות. ברוב המקרים היצרנים יכולים גם לעקוב אחר כל המסע של מסגרת, ממש בחזרה למקורותיהם של גדילי הסיבים הראשונים. זה משהו שכדאי לחשוב עליו בפעם הבאה שאתה עומד ומתפעל מהגאווה והשמחה שלך.
