Als fabricants els encanta presumir de la instal·lació de fibra de carboni, així que Cyclist va decidir investigar què significa això i com afecta el rendiment
Una bicicleta, no cal dir-ho, és el millor regal de Nadal, però amb la possible excepció d'un cadell, també és el més difícil d'embolicar. Llàstima del pobre dissenyador de quadres que ha d'embolicar i embolicar carboni al voltant de les seves complexes corbes de manera que, quan s'acabi, el quadre ofereix la sensació de conducció desitjada. La construcció d'un marc de fibra de carboni és un trencaclosques 3D complex que eclipsa el cub de Rubik.
La bellesa del carboni és que, a diferència del metall, es poden posar en capes múltiples peces en diferents graus d'intersecció i superposició per donar un control molt estricte sobre els atributs de rendiment i la força requerits en qualsevol punt determinat d'un quadre de bicicleta. L'inconvenient és que el carboni és anisòtrop, és més fort en una direcció que en una altra de manera similar a la fusta, la qual cosa significa que la força depèn de la direcció de les fibres. Perquè el carboni suporti càrregues significatives, les forces s'han de dirigir al llarg de les seves fibres, la qual cosa fa que la direcció de la fibra sigui absolutament crucial. Les seccions constitutives d'un quadre de bicicleta experimenten forces en diverses direccions, és a dir, les fibres de carboni també han de córrer en diverses direccions. És per això que les diferents capes tenen les seves fibres en diferents angles, normalment 0° (en línia), +45°, -45°, +90° i -90°, i de fet qualsevol angle escollit pels dissenyadors si crearà els atributs desitjats..
A les profunditats
Així és per a tots els quadres de carboni. Sota els exteriors brillants hi ha moltes capes de peces de fibra de carboni les rigideses, forces, formes, mides, posicions i orientacions de les quals s'han planificat acuradament, normalment mitjançant una combinació de paquets de programari informàtic i l'experiència dels enginyers. Això es coneix com el calendari de lay-up, o simplement el lay-up. Quan s'hagi completat el trencaclosques de carboni, la bicicleta ha de ser lleugera, sensible, rendible i capaç de suportar les forces més extremes del ciclisme.
El professor Dan Adams, director del laboratori de mecànica de compostos de la Universitat d'Utah a S alt Lake City, ell mateix un apassionat ciclista i que va participar en el desenvolupament dels primers quadres de carboni de Trek, diu que construir qualsevol cosa amb carboni és tot. sobre l'horari correcte de preparació. "Especifica l'orientació de les capes o capes individuals de preimpregnat de carboni/epoxi, apilades per fer el gruix final de la part", diu. "Algunes parts del marc són més fàcils de col·locar que d' altres. Els tubs són relativament senzills, però les unions entre ells són algunes de les instal·lacions de capes més complexes que veureu a les peces de producció de qualsevol indústria que utilitzi carboni estructuralment, incloses les aeroespacials i l'automoció.’.
La naturalesa anisòtropa del carboni també fa que l'elecció del carboni adequat sigui crucial. En la seva forma més senzilla, hi ha dues maneres de subministrar carboni. Unidireccional (UD) fa que totes les fibres de carboni funcionin en una direcció, paral·leles entre si. L' alternativa a la UD és un teixit, o "drap". Té fibres que corren en dues direccions, passant una per sota i sobre l' altra en angle recte per donar l'aspecte clàssic de la fibra de carboni. En el teixit més senzill, conegut com a teixit lli, les fibres s'encaixen per sota i per sobre a cada encreuament (anomenat "1/1") per produir un patró semblant a una quadrícula. Hi ha molts altres patrons de teixit possibles. La sarga (2/2) és una mica més fluixa, així que és més fàcil de drapejar i es pot reconèixer fàcilment pel seu patró diagonal, que sembla galons.
El mòdul (una mesura d'elasticitat) de la fibra també és fonamental per a una disposició determinada. El mòdul defineix com de rígida és una fibra. Una fibra de mòdul estàndard, amb una classificació de 265 gigapascals (GPa) és menys rígida que una fibra de mòdul intermedi amb una classificació de 320 GPa. Es requereix menys carboni de mòdul superior per fer components de la mateixa rigidesa, la qual cosa resulta en un producte més lleuger. Per tant, les fibres de mòdul superior poden semblar l'opció preferible, però hi ha un problema. Es pot fer una analogia amb una goma elàstica versus un tros d'espaguetis. La goma elàstica és molt elàstica (té un mòdul baix) i es pot flexionar amb molt poca força aplicada però no es trencarà, a més tornarà a la seva forma original després de la flexió. Els espaguetis, en canvi, són molt rígids (alt mòdul), així que resistirà la deformació fins a un punt, i després simplement es trencarà. Els departaments de màrqueting solen presumir de la inclusió d'un mòdul de fibra determinat en el disseny del quadre més recent, però en la majoria dels casos un quadre de bicicleta és un equilibrat acurat de diversos tipus de mòduls dins de la disposició per oferir una combinació desitjable de rigidesa, durabilitat i flexió..
Hi ha una variable més a tenir en compte. Un sol fil de fibra de carboni és extremadament prim, molt més prim que un cabell humà, de manera que s'agrupen per formar el que s'anomena "remolc". Per a les bicicletes, un remolc pot contenir entre 1.000 i 12.000 brins, tot i que 3.000 (escrit com a 3K) és el més habitual.
Fibra això, fibra que
Aquests són els fonaments bàsics, però crear una disposició es complica. "Des del punt de vista de la resistència i la rigidesa pura, el compost ideal tindria la proporció més alta de fibra a resina possible i la menor flexió de la fibra", diu el doctor Peter Giddings, enginyer d'investigació del Centre Nacional de Composites de Bristol, que ha va treballar amb bicicletes i les va córrer durant molts anys. "Les fibres unidireccionals, almenys teòricament, són la millor opció per a això. Els materials UD tenen una relació rigidesa-pes augmentada en la direcció de la fibra. Malauradament, els compostos UD són més susceptibles a danys i, un cop danyats, tenen més probabilitats de fallar que els teixits.’
Construir un quadre exclusivament amb capes de carboni UD crearia una bicicleta perillosament trencadissa, per no parlar d'un cost prohibitiu a causa dels costos de material i d'hora de treball. Per tant, el carboni teixit domina i és l'opció òbvia per a qualsevol zona on hi hagi corbes ajustades i formes d'articulació complexes. A més, a la gent li agrada el seu aspecte. "Estèticament, els materials teixits es consideren millor que els materials unidireccionals i la percepció del públic d'un compost és un teixit", diu Giddings. "De fet, molts fabricants pinten [per tant, oculten] zones on la construcció del marc impedeix un aspecte suau i teixit."
La facilitat de fabricació també s'ha de tenir en compte en un calendari de preparació per tenir en compte els costos laborals. Per a juntes i formes complexes, es trigarà molt més temps a crear la capa ideal amb fibres UD. És una altra raó per la qual els teixits són l'opció preferida de la majoria de fabricants de bicicletes de carboni. "El teixit teixit és més fàcil de treballar que l'UD i requereix menys habilitat per adaptar-lo a la forma requerida", diu Giddings. "La UD té tendència a dividir-se o doblegar-se al voltant de formes complexes. Els teixits de teixit fluix s'ajusten més fàcilment i la resistència general de l'estructura es veu menys afectada per defectes menors de fabricació.’
És probable que els fabricants optin per una disposició amb carboni teixit a les zones més complexes, com ara el pedalier i les unions del tub de direcció, però encara no és tan senzill com sembla perquè hi ha un altre factor a tenir en compte. "Voleu mantenir la continuïtat de l'orientació de la fibra no només al voltant de les cruïlles, sinó a través i més enllà d'elles", diu Paul Remy, enginyer de bicicletes a Scott Sports. "Pot haver-hi curvatures complexes en una unió, com ara el pedalier, per la qual cosa heu de pensar en una manera de continuar l'orientació de les fibres, per transferir la càrrega a través d'elles."
És aquí on els enginyers de marcs com Remy agraeixen l'ajuda de la informàtica. En el passat, l'única manera de saber com les diverses alteracions del programa de muntatge podrien afectar el resultat final era construir i provar múltiples prototips, però ara els ordinadors es poden provar amb un alt grau de precisió abans d'un un sol fil de fibra ha tocat en un motlle de marc.
«Abans era molt difícil saber quin efecte tindria canviar només una part de la disposició en el rendiment del quadre», diu Remy.
Bob Parlee, fundador de Parlee Cycles, amb seu a Massachusetts, recorda aquells vells temps abans que els ordinadors fessin tots els números amb força afecte: "Si enteneu les càrregues d'una estructura d'armadura, com ara un marc, les instal·lacions són senzilles., així que inicialment podria resoldre'ls jo mateix al meu cap.” Des de llavors, Parlee ha admès que l'anàlisi d'elements finits per ordinador (FEA) té el seu lloc. "Originalment no posava forats als tubs del marc [per a punts d'entrada de cables o muntatges de gàbia d'ampolles] perquè eren punts febles potencials, però ara FEA ens diu què hem de fer per reforçar aquest forat", diu.
L'augment de la potència informàtica juntament amb un programari cada cop més sofisticat permet als enginyers analitzar molts models virtuals en poc temps i superar els límits del disseny i els materials. Segons l'enginyer de disseny especialitzat Chris Meertens, Iteració és el nom del joc. Les eines FEA creen un model representatiu del marc i l'objectiu és tenir en compte totes les fibres. El programari em permet dissenyar cada capa, basant-se en un model d'optimització per als 17 casos de càrrega que tenim per a un marc model.’
Això vol dir que el programari indica a Meertens quant de carboni ha d'haver a cada zona del quadre i l'orientació òptima per a les fibres. L'habilitat, però, consisteix a saber què és i què no és possible amb la disposició de carboni. De vegades, l'ordinador escopeix ideals que estan lluny de ser ideals. "La majoria de vegades ho miro i dic: "No hi ha manera de fer-ho", diu Meertens. "Així que m'ocupo amb el programari de drapejat de laminat per tallar capes virtuals i col·locar-los en un mandril virtual, basant-me en la viabilitat de la fabricació i les optimitzacions de laminats."
Fins i tot fent servir programari informàtic, això pot trigar dies a desxifrar-se, i encara queda molt camí per recórrer abans que finalment es defineixi la disposició. Un aspecte on l'element humà és essencial és assegurar-se que s'utilitza el grau de fibra adequat al lloc correcte. Meertens diu: "La fibra 0° és molt rígida, però no té una bona resistència a l'impacte, així que, per mantenir tolerant els danys del compost, hem d'evitar posar-ne massa en llocs com la part inferior d'un tub de baixada. En aquesta etapa sabré quines formes de capes necessito, però ara vull saber quantes de cada capa. Així que executo un altre programa d'optimització que em diu el gruix que els he de fer, bàsicament el nombre de capes. Analitzarà entre 30 i 50 combinacions de capes. Recorrerem el cicle de drapat i optimització virtual quatre o cinc vegades, ajustant cada vegada una mica més les capes. Però en algun moment hem de prémer "Vés" i enviar-lo.’
Guia definitiva
El calendari de distribució és com un mapa 3D, que detalla cada tros de carboni amb forma de cada capa. "El bastidor es divideix en nou zones: dos seients, dues chainstays, pedalier, seient, superior, cap i tubs inferiors", diu Meertens.‘Especifiquem la dada, que és un eix, per a cada zona. Aleshores, l'orientació de cada tros de carboni d'una zona està relacionada amb aquesta dada. Un tub inferior pot tenir capes a 45°, 30° i 0° en relació amb la dada local. En general, el material de major resistència s'utilitza fora de l'eix, en angle. El material de mòdul més alt que fem servir axialment, a 0°.’
El fitxer resultant pot tenir una mida de fins a 100 Mb i finalment es passa a la fàbrica. Cada treballador de la fàbrica rep només la part rellevant per a la part del marc que és responsable de crear. Aquesta encara no és la producció final. El marc construït és un prototip en aquesta etapa i s'ha de provar per assegurar-se que la disposició dissenyada digitalment dóna com a resultat un marc que funcioni a la pràctica. L'ecografia, la inspecció de raigs X i la dissecció física revelen gruixos de laminat. En altres llocs, la matriu de resina es cremarà per exposar la qualitat de la laminació i si el material o les fibres han migrat. Les proves de flexió haurien de mostrar els mateixos resultats que l'anàlisi FEA. Al final, però, és un humà el que se'l treu a la carretera.
"Anar amb bicicleta és l'única manera de quantificar-ho realment", diu Bob Parlee. "Podem fer les proves de flexió i càrrega, però hem de sortir i muntar-lo per veure si funciona com volem". Quan el model passa la reunió, finalment es dóna llum verda a la producció.
La major part de la producció de bicicletes es produeix a l'Extrem Orient, i això dóna encara més importància a l'horari d'entrega. El pla finament detallat, si es segueix al peu de la lletra, hauria de garantir que els productes que surten d'aquestes grans fàbriques siguin bessons idèntics dels provats i aprovats en l'etapa final del prototip. Per descomptat, la majoria de marques testegen i tornen a provar contínuament els quadres de producció per garantir la coherència perquè les bicicletes que arribin a les botigues compleixin les expectatives dels clients. En la majoria dels casos, els fabricants també poden rastrejar tot el recorregut d'un marc, fins als orígens dels primers fils de fibra. Això és una cosa en què cal pensar la propera vegada que estiguis dempeus i admirant el teu orgull i alegria.
